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Antriebskonzepte

Elektromotoren: Energieeffiziente Antriebskonzepte amortisieren sich in kürzester Zeit

17.03.2008 | Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. Hans-Jürgen Bittermann / Dr. Jörg Kempf

Die neue Motorenvariante N-compact High-Speed von Siemens A&D verfügt über einen hohen Wirkungsgrad, baut kompakt und ist wartungsarm.
Die neue Motorenvariante N-compact High-Speed von Siemens A&D verfügt über einen hohen Wirkungsgrad, baut kompakt und ist wartungsarm.

Sie lassen Ventilatoren und Mischer rotieren, treiben Pumpen und Förderbänder an: Ohne Elektromotoren stünde unsere Hightech-Industrie still. Weltweit sind Millionen von Industrie-Elektromotoren in Betrieb – und sie bergen ein enormes Potenzial, um Energie einzusparen.

Weltweit greifen strengere Regelungen zum Einsatz von High-Efficiency-Motoren. Allein in der EU sollen bis 2010 zehn Prozent der angepeilten CO2-Einsparungen auf dem verstärkten Einsatz von Energiesparmotoren basieren. SEW-Eurodrive schätzt: Dreimal so viel ließe sich durch Energiesparmotoren mit Frequenzumrichtern erzielen, sechsmal soviel mit deren Integration in mechanisch optimierte Systeme.

Während sich manche Branche mit den CO2-Vorgaben der Politik schwer tut, könnten wir hier also die Vorgaben locker übertreffen. Nicht nur das: Wer als Betreiber mit optimierter Antriebstechnik die Umwelt schützt, spart ja zugleich enorme (Energie-)Kosten ein. Wo gäbe es diese Kombination sonst noch?

Sparsame Motoren amortisieren sich rasch

„In Deutschland sind 30 Millionen Antriebseinheiten installiert. Davon werden nur zwölf Prozent mit Energie sparender Drehzahlregelung betrieben. Bei rund 50 Prozent aller Antriebe wäre es sinnvoll, sie ebenfalls umzurüsten“, beschreibt Dr. Reinhard Hüppe, Geschäftsführer, ZVEI-Fachverband Automation, die Lage. Nach Schätzung von ABB sind bei Mittelspannungsmotoren sogar nur etwa vier Prozent mit solchen Antrieben ausgestattet.

Die größten industriellen Verbraucher sind Kompressoren, Verdichter, Förderbänder oder Rühr- und Mahlwerke, aber auch Pumpen für Heizung, Lüftung und Klimatisierung. Wo sehen Fachleute konkret Einsparpotenziale? „Vor allem bei Nebenprozessen, die nicht direkt der Produktion dienen“, sagt Dr. Peter Zwanziger, der sich bei Siemens Automation and Drives (A&D) mit dem Thema Energiesparen befasst. „Dazu gehören etwa die Aufbereitung und der Transport von Hilfsstoffen, die Klimatisierung oder auch die Entfernung von Abfällen.“

Hohe Motordrehzahl dank hochdämpfender Schwingelemente

Die Technik zum Sparen ist verfügbar – beispielsweise glänzt die neue Motorenvariante N-compact High-Speed von Siemens A&D mit einem hohen Wirkungsgrad, baut kompakt und ist wartungsarm. Sie deckt Spannungsklassen von 400 bis 690 V ab und ist für Leistungen von 200 bis 1050 kW lieferbar. Durch Fremdbelüftung und spezielles Läuferdesign ist der Motor für den Drehzahlbereich bis 5000 min-1 geeignet. Hochdämpfende Schwingelemente entkoppeln die Maschine vom eigentlichen Fundament, so sind trotz der hohen Motordrehzahl keine zusätzlichen baulichen Maßnahmen erforderlich. Mit den für Strömungsmaschinen besonders geeigneten Frequenzumrichtern Sinamics G130 und G150 bildet der Hochgeschwindigkeitsmotor ein abgestimmtes Antriebssystem.

Bei den Getriebemotoren von Nord sind alle Lagerstellen in einen nicht geteilten Gehäusegussblock integriert – es gibt also keine drehmoment- und querkraftbelasteten Dichtflächen, so dass keine Probleme durch Getriebeversatz auftreten. Nord liefert Stirnrad-, Flach-, Kegelrad-, Schnecken- und Planetengetriebe sowie Getriebe mit Keilriemen- und Reibradverstellungen in einem Drehmomentenbereich von 10 bis 100 000 Nm. Das Spektrum der Motoren deckt einen Leistungsbereich von 0,12 bis 200 kW ab. Sein Atex-Sortiment hat dieser Anbieter um einen weiteren Anwendungsbereich erweitert: gasexplosionsgeschützte Antriebe in „Erhöhter Sicherheit“ (Ex e) mit pauschaler Zulassung für den Betrieb am Frequenzumrichter. Die Getriebemotoren sind bis zu einem Viertel leichter und bis zu 40 Prozent kostengünstiger als Antriebe mit „Druckfester Kapselung“ (Ex de).

Verbesserung der Energieeffizienz

Die Wirtschaftlichkeit optimierter Antriebstechnik ist frappierend, macht doch der Kaufpreis bei einer Nutzungsdauer von zehn Jahren und jährlich 2000 Betriebsstunden weniger als drei Prozent der Gesamtkosten aus, die Stromkosten dagegen mehr als 95 Prozent.

Dipl.-Ing. Thorsten Herdan, Geschäftsführer des Forums Energie im VDMA, zeigt sich deshalb zutiefst davon überzeugt, dass Energieeffizienz in Zukunft zu einem wesentlichen Einflussfaktor bei Kaufentscheidungen werde.

Für viele Unternehmen ist die Frage entscheidend: Wie lassen sich nachträglich Energieeinsparpotenziale aufdecken und beseitigen bzw. Energiesparlösungen von Beginn an realisieren? Eine Antwort darauf will SEW-Eurodrive mit einem Baukasten liefern: Jede einzelne Komponente an sich wurde schon auf Effizienz und hohen Wirkungsgrad ausgelegt, in der Kombination bieten sich darüber hinaus weitere interessante Lösungen. Der Baukasten bestehe nicht nur aus energieeffizienten Produkten; vielmehr sei es das Wissen um eine möglichst sinnvolle, der Anwendung und der Aufgabe angepassten Kombination von Motor, Getriebe, Steuerungstechnik und Software, betont der Anbieter.

Retrofit: Neue Technik für bewährte Anlagen

Neukauf oder Retrofit, also Teil- oder Komplettmodernisierung – bei dieser Entscheidung spielt die Wirtschaftlichkeit die Schlüsselrolle. Gerade wenn die Mechanik älterer Maschinen noch in einem guten bis sehr guten Zustand ist, die Automatisierungs- und Antriebstechnik aber nicht mehr dem Stand der Technik entspricht, sei Retrofit oft wesentlich wirtschaftlicher als der Neukauf, sagt Siemens.

Ein Retrofit mit neuer Steuerungs- und Antriebstechnik könne selbst betagte Anlagen zu erstaunlich mehr Leistungsfähigkeit und Präzision ertüchtigen. Dabei gelte als grobe Faustregel, dass Retrofitting je nach Leistungsumfang bei rund 20 bis 60 Prozent der Kosten einer Neuanschaffung liege. Gleichzeitig sei es durch ein durchdachtes, schrittweises Retrofit-Konzept möglich, Anlagen nahezu ohne Stillstandszeiten zu modernisieren.

So konnte beispielsweise das Retrofit eines Kalanders (Rollensystem aus mehreren aufeinander angeordneten beheizten Walzen) mehr als nur dessen ursprüngliche Leistungsfähigkeit wieder herstellen. Dank einer präziseren Steuerung und Regelung erschlossen sich Produktivitätssteigerungen bis in den zweistelligen Bereich sowie signifikante Einsparungen beim Energieverbrauch der Antriebe. Außerdem verbesserte sich die Produktqualität.

Fazit

Die Praxis zeigt, dass gerade in Bestandsanlagen der Grundstoffindustrie noch erhebliche Einsparmöglichkeiten vorhanden sind. Das größte Einsparpotenzial steckt in der Optimierung von Antrieben mit fester Drehzahl hin zu drehzahlveränderbaren Antrieben durch den Einsatz von Frequenzumrichtern. Besonders bei in Teillast betriebenen Strömungsmaschinen wie Pumpen, Lüftern und Kompressoren spart dies bis zu 50 Prozent der Energie. Die Nachrüstung eines Frequenzumrichters amortisiert sich deshalb oft schon nach wenigen Monaten.

Der Autor ist redaktioneller Mitarbeiter bei PROCESS.

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