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Energieeffizienz ganzheitlich betrachtet

Bild 1. Ein umfassendes Energiemanagement braucht neben energiesparenden Produkten und Lösungen auch eine übersichtliche Aufbereitung und Visualisierung der Daten sowie ein entsprechendes Analysetool

Bild 2. Durch die komplette Betrachtung des Antriebsstrangs kommt man beispielsweise Überdimenesionierungen auf die Spur

Energieeffizienz ist seit Jahren in aller Munde. Die Ressourcen schwinden, der Verbrauch steigt weiter, die Schere öffnet sich ständig. Daran scheinen auch schärfere gesetzliche Auflagen nichts zu ändern. Neben den Lohnstückkosten rücken daher auch die „Energiestückkosten“ immer mehr in den Fokus. Dabei werden in der Industrie und in Gebäuden von der eingesetzten Primärenergie derzeit nur rund 20 % für den eigentlichen Verwendungszweck genutzt. Mit einem ganzheitlichen Energiemanagementsystem lassen sich die Potenziale ausschöpfen, um bei gleichbleibender Qualität mit geringerem Energieeinsatz produzieren zu können.

Energieeffiziente Fertigungskomponenten sind nur ein kleiner Schritt, um den Energieverbrauch von Maschinen und Anlagen zu reduzieren. Darüber hinaus müssen Experten, die die individuellen Anforderungen und Potenziale in der Produktionsanlage erkennen und diese Komponenten zu energieeffizienten Lösungen vereinen. Hier sind qualifizierte Zulieferer, Maschinenbauer und Systemintegratoren mit Branchenerfahrung gefragt. Siemens hat diese Zeichen der Zeit erkannt und sein Portfolio auf eine „grüne“ Linie gebracht.

Durchgängigkeit schafft Transparenz
Um Einsparpotenziale erkennen zu können, ist zunächst die Kenntnis über Menge und Art des Energieverbrauchs in der Anlage erforderlich, also: Wo wird wann, wie viel von welcher Energieart benötigt. Das umfasst alle Energieformen, wie Strom, Gas, Dampf, Druckluft, Wärme und Kälte.
Erst der durchgängige Einsatz von kompatiblen kommunikationsfähigen Komponenten von der Geräte- bis in die Managementebene ermöglicht mit ökonomisch vertretbarem Aufwand die transparente Erfassung, Verarbeitung und Darstellung des Energieeinsatzes von Einzelverbrauchern bis hin zur Gesamtanlage in Energiemanagementsystemen (EMS). Siemens hat dies unter dem Dach von Totally Integrated Automation (TIA), der offenen Systemarchitektur für ganzheitliche Automatisierungslösungen, vereint (Bild 1).

Energiedaten managen
Für den Energiemanager im Unternehmen steht das integrierte Energiedatenmanagementsystem B.Data zur Verfügung, das die aggregierten Energiedaten aus der Anlage für Energie-Controlling, Energieeinkauf und Berichtswesen verarbeitet. Es erhält die erforderlichen Daten vom Energiemanagementsystem Simatic Powerrate, das in die Automatisierungs- und Leitebene integriert ist. Dort werden die aktuellen Messwerte über die üblichen Kommunikationsstandards, wie AS-i, IO-Link, Profibus, Profinet und Profienergy, aus der Feldebene erfasst, vorverarbeitet und online in der Visualisierung von Simatic WinCC oder Simatic PCS 7 dargestellt.
Eine der Kernfunktionen von Simatic Powerrate ist beispielsweise das Lastmanagement. Dazu gehört die automatische Überwachung von mit dem Energieversorger vereinbarten Bezugs- oder Leistungslimits, etwa der zur Abrechnung elektrischer Energie genutzten 15-Minuten-Leistungsmittelwerte. Die vorausberechneten Trendwerte (Viertelstunden-Prognosen) ermöglichen eine exakte Verbrauchssteuerung, sodass vereinbarte Bezugs- oder Leistungslimits nicht überschritten und dabei wichtige Produktionsprozesse nicht beeinträchtigt werden. Verbrauchsspitzen lassen sich dadurch glätten und dauerhaft in engeren Toleranzen konstant halten. Dies reduziert das Bezugsniveau und somit auch die Energiekosten.

Messfunktion integriert
Ein Energiemanagement ist nur dann sinnvoll durchführbar, wenn entsprechend aussagekräftige Messwerte der Verbraucher vorliegen. Dazu hat Siemens neben den dezidierten Messgeräten, wie die Reihe Sentron PAC, auch viele weitere Geräte mit Messfunktionen ausgestattet. So bietet die Produktreihe Sirius Innovation Schalt-, Schutz- und Überwachungsgeräte für Festdrehzahlapplikationen. Zur Familie gehören unter anderem die elektronischen Überlastrelais 3RB24, die Relais 3UG48 zur Erfassung und autarken Überwachung von Strom, Spannung, Netzqualität oder Drehzahl und die Temperaturüberwachungsrelais 3RS14/15. Auch die Frequenzumrichter der Sinamics-Reihe haben Messeinrichtungen sowie Kommunikationsmöglichkeiten und sind Teil des TIA-Konzepts zur Weitergabe der Messwerte an die übergeordnete Steuerungsebene.
Damit ist ein durchgängiger Messwert- und Datenfluss bis in die Managementebene gewährleistet. Diese Daten bieten zusätzliche Informationen für ein integriertes Wartungsmanagement.

Energieeffizienz beginnt bei den einzelnen Produkten
Um die Energieeffizienz einer Anlage zu steigern, sind zwei Bereiche für eine eingehende Betrachtung von Bedeutung. Einer davon sind die eingesetzten Produkte, die mit ihren Eigenverlusten zum Gesamtverbrauch der Anlage beitragen. Siemens legt daher in seinem Produktportfolio besonderes Augenmerk auf die Reduzierung dieser Eigenverlustleistungen. Im Bereich der Schaltgeräte wurde beispielsweise mit der Produktfamilie Sirius Innovation eine Reduzierung der Eigenverlustleistung gegenüber der Vorgängerlinie erreicht. Das reduziert zusätzlich den Klimatisierungsaufwand in den Schaltschränken, was zu weiteren Energieeinsparungen führt. Da eine Produktionsanlage über mehrere Schaltschränke verfügt, kommt durch den Einsatz energieoptimierter Schaltgeräte ein nicht zu unterschätzendes Einsparpotenzial zusammen.
Bei der Geräte- und Systemauswahl ist es wichtig, immer die Gesamtkosten der entstehenden Lösung zu betrachten. Aussagekräftig sind nur die Total Cost of Ownership (TCO), die Investitionskosten, Ge- und Verbrauchskosten sowie Wartungs- und Reparaturkosten über den gesamten Lebenszyklus einer Anlage hinweg einzubeziehen. Erst eine ausgewogene Balance zwischen energetischen und ökonomischen Faktoren führt zu einem sinnvollen Ganzen.

Die Optimierung des Antriebsstrangs
Der zweite Bereich, der bei einer ganzheitlichen Betrachtung zur Energieeffizienz eine wesentliche Rolle spielt, ist die Untersuchung der Antriebsstränge (Bild 2). Als das Werkzeug zur Reduzierung des Energieverbrauchs von Antrieben wird heutzutage der Einsatz eines Frequenzumrichters angesehen.
Natürlich sind Frequenzumrichter bei Anwendungen mit variabler Drehzahl, zum Beispiel bei der Anpassung von Produktionslinien an variable Arbeitstakte, das Mittel der Wahl. Dennoch ist das Hauptaugenmerk auf die Auslegung des gesamten Antriebsstrangs zu legen. Beispielsweise sind die Größe und die Effizienzklasse des eingesetzten Motors sowie die Größe und die Parametrierung des Frequenzumrichters zu beachten. Messungen in unterschiedlichen Industriezweigen, wie Chemie-, Automobil- und Elektroindustrie, förderten als Einsparpotenzial die Beseitigung von Überdimensionierungen im Antriebsstrang zutage. Erst eine auf den konkreten Einsatzfall und optimalen Betriebspunkt abgestimmte Kombination aus Motor, Getriebe (wo notwendig) und Antriebstechnik hebt diese Potenziale.

Energie sparen mit Schaltgeräten
Untersuchungen haben gezeigt, dass heute in der gesamten Industrie durchschnittlich etwa doppelt so häufig Konstantdrehzahlantriebe an Schaltgeräten betrieben werden, wie drehzahlvariable Antriebe mit Frequenzumrichtern.
In Applikationen mit konstanter Drehzahl sind Schaltgeräte, wie Direktstarter, Sanftanlasser und Stern-/Dreieck-Starter, sowohl aus energetischer Sicht (geringer Eigenenergiebedarf) als auch im Invest (Anschaffung, Installation, Parametrierung) die wirtschaftlichste Lösung. Beispielsweise kommt bei dem Befüllen und Überwachen von Behältern mit Flüssigkeiten in offenen Systemen vielfach die altbekannte Zweipunkt-Regelung zum Einsatz. Eine Pumpe befüllt den Behälter bis zum oberen Limit. Dort wird die Pumpe abgeschaltet. Nähert sich der Behälterfüllstand durch Verbrauch der Flüssigkeit der Untergrenze, so startet die Pumpe erneut, um den Behälter wieder zu füllen. Realisiert man die Ansteuerung der Pumpe mit Schaltgeräten, so verbraucht sie im ausgeschalteten Zustand keine Energie.

Energieeffizienz durch konkrete Einzelfallbetrachtung
Wie sich schwer erkennen lässt, gibt es für die energetische Optimierung von einzelnen Antrieben bis hin zur Gesamtanlage keinen Königsweg. Daher bietet Siemens neben Systemen für das Energiemanagement energieeffiziente Komponenten über das gesamte Spektrum der Festdrehzahlanwendungen mit Schalttechnik über Applikationen für variable Drehzahlen mit Frequenzumrichter bis hin zu energieeffizienten Motoren ein durchgängiges, abgestimmtes Produktportfolio an. Die Auswahl des optimalen Produktmixes ist für den jeweiligen Einzelfall individuell zu treffen. Dabei unterstützt Siemens Maschinenbauer, Systemintegratoren und Anwender durch Beratungsleistungen mit Branchen-Know-how in vielen Industriezweigen. Das Resultat: Steigerung der Energieeffizienz in der Anlage ohne ausufernde Investitions- und Lebenszykluskosten.

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Autor: Dipl.-Ing. (Univ.) Geo Kunzmann ist Branchenmanager Green Energies In der Division Industry Automation der Siemens AG in Fürth.