Energieeffizienzsteigerung in der Fördertechnik sowie bei Motoren und Antrieben in der Industrie

Inhalt

1. Einleitung

2. Energieeffizienz
2.1 Definition des Begriffes Energieeffizienz
2.2 Nutzen und Sinnhaftigkeit von Energieeffizienz

3. Industrielle Fördertechnologien
3.1 Anwendungsbereiche
3.2 Motorenarten
3.3 Wirkungsgrad von Elektromotoren
3.4 Technische Bauteile und Komponenten
3.4.1 Drehzahlregelung
3.4.2 Frequenzumrichter
3.4.3 Getriebe

4. Energieeffizienzsteigerung in der Fördertechnik sowie bei Motoren und Antrieben in der Industrie
4.1 Gesetzliche Vorgaben und Kennzeichnungen
4.2 Ist-Zustand
4.3 Energieeffizienz und Lebenszykluskosten

5. Fazit

Literaturverzeichnis

1. Einleitung

Der Fähigkeit, vorhandene Energien für eigene Zwecke nutzbar zu machen verdanken wir Menschen die technologischen Standards. Für jede neue technologische Errungenschaft benötigen wir immer größere Energiemengen. Laut dem Energieerhaltungssatz ist es jedoch so, dass Energie weder erzeugt noch vernichtet, sondern lediglich umgewandelt werden kann. Demzufolge ist es von maßgeblicher Bedeutung, die eingesetzten Energien möglichst effizient und ressourcenschonend zu nutzen. Neben hohen Kosten und den vorhandenen Rohstoffabhängigkeiten sind auch Umweltschutzaspekte von hoher Bedeutung. Jedes Unternehmen sollte daher darauf bedacht sein, Energieeinsparpotentiale zu entdecken. Sinn dieser Ausarbeitung ist, im folgenden Kapitel auf das Thema Energieeffizienz einzugehen, die Begrifflichkeit zu definieren und den Nutzen und die Sinnhaftigkeit dieses Themas zu verdeutlichen. Ausgehend von der Definition des Begriffes Energieeffizienz werde ich in Kapitel drei auf industrielle Fördertechnologien eingehen. Industrielle Fördertechnologien deshalb, weil in der Industrie sowie in den GHD-Sektoren mehr als 40% der erzeugten Energie verbraucht werden.^[1] Bedingt durch diese hohe Verbrauchsstruktur, welche durch einen mengenmäßig hohen Einsatz von Elektromotoren charakterisiert ist, wird in diesem Kapitel noch auf die Anwendungsbereiche der industriellen Fördertechniken und den dort verwendeten Elektromotoren eingegangen. Nachdem die grundlegenden Funktionsweisen der unterschiedlichen Motoren erläutert wurden, wird noch explizit auf die Wirkungsgrade der Elektromotoren eingegangen. Bei der Betrachtung ist maßgeblich, inwiefern Elektromotoren Leistungsverluste aufweisen und welche Möglichkeiten bestehen, diese für eine Effizienzsteigerung zu kompensieren. Da allerdings nicht nur baubedingte Veränderungen der Motoren die Energieeffizienz steigern, wird im darauf folgenden Kapitel auf die steuerungstechnischen Elemente eines Fördersystems eingegangen. Nachdem die technische Seite der Elektromotoren erklärt wurde, wird in Kapitel vier explizit auf die mögliche Energieeffizienzsteigerung von Elektromotoren eingegangen. Dort werden zunächst die gesetzlichen Vorgaben und Kennzeichnungen, der jetzige Ist-Zustand dieser Verbrauchergruppe und die Potentiale möglicher Energieeinsparungen erklärt. Schlussendlich wird auf die Lebenszykluskosten von Elektromotoren eingegangen und erläutert, warum sich eine kostenintensivere Anschaffung von effizienten Motoren letztlich lohnt. In Kapitel fünf folgen ein zusammenfassendes Fazit sowie eine Gesamtbetrachtung mit Handlungsempfehlungen in Bezug auf

2. Energieeffizienz

2.1 Definition des Begriffes Energieeffizienz

„Energieeffizienz ist das Maß für den Energieaufwand zur Erreichung eines festgelegten Nutzens. Die Energieeffizienz ist umso höher, je geringer die Energieverluste für das Erreichen des jeweiligen Nutzens sind.“^[2] Ein Vorgang ist somit effizient, wenn mit einem minimalen Energieaufwand ein möglichst großer Nutzen erreicht wird. Dieses ökonomische Prinzip beschreibt dabei den Zustand, dass Wirtschaftssubjekte in ihrem wirtschaftlichen Handeln die eingesetzten Güter einer zweckrationalen Nutzenmaximierung zuführen. Gründe für diese Maximierung können unter Anderem in einer Verknappung oder Kostensteigerung der erhältlichen Rohstoffe liegen. Neben diesen Aspekten überwiegt allerdings der grundsätzliche Nachhaltigkeitsgedanke in Bezug auf den verantwortungsvollen Umgang mit Energie und der Umwelt. Ziel soll es letztlich sein, durch einen effizienten Rohstoffverbrauch die Umwelteinflüsse nachhaltig zu mindern, möglichst ganz zu unterbinden und den nachfolgenden Generationen eine lebenswerte Umwelt zu hinterlassen.

Zusammenfassend kann man sagen, dass Energieeffizienz durch eine zweckrationale Nutzenmaximierung beschreiben wird. Gründe dafür finden sich in Kostensteigerungen oder Verknappungen von Rohstoffen wieder, sowie in den gewünschten Nachhaltigkeitsaspekten jetziger Generationen.

2.2 Nutzen und Sinnhaftigkeit von Energieeffizienz

Der Sinn und der Nutzen einer Energieeffizienzsteigerung liegen in der möglichen Einsparung von Energie und der damit verbundenen Minderung der Abhängigkeit von rohstoffreichen Ländern. Grundsätzlich führt eine Verbrauchsminderung meist zu Kostensenkungen, einer verbesserten Lebensqualität, der Vermeidung weiterer Umweltschäden, sowie der Minderung des Ausstoßes umwelt- und klimaschädlicher Kohlendioxide. „ Eine der dringendsten Aufgaben der Gegenwart ist die Steigerung der Energieeffizienz. Entscheidend ist, wie viel Energie wir aus den uns zur Verfügung stehenden Ressourcen gewinnen und wie wir diese verbrauchen. Das spart Geld und mindert den Ausstoß klimagefährlicher Gase“.^[3] Die Steigerung der Energieeffizienz ist in der BRD somit politisch gewollt. Bereits seit 1990 konnte die Energieproduktivität vom Primärenergieverbrauch entkoppelt und somit gesteigert werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Abbildung 1:Energieproduktivität der BRD seit 1990; Quelle: Statistisches Bundesamt (1/2012)

Dieser Zustand verdeutlicht, dass in der BRD, Unternehmen, Kommunen und private Haushalte schon seit mehr als 20 Jahren auf einem guten Weg sind, die Lebensqualität im Land zu steigern und dabei den Fokus auf einen ressourcenschonenden Umgang mit Rohstoffen legen. Das Thema Energieeffizienz ist somit nicht nur in den Unternehmen und Kommunen aktuell, sondern auch innerhalb der Bevölkerung. Dies zeigt vor allem in der Bereitschaft zur Inbetriebnahme erneuerbarer Energiequellen, ressourcensparender Beleuchtungsmittel und einem Umdenken in Bezug auf Endenergieverbräuche in den privaten Haushalten.

Zusammenfassend stellt sich heraus, dass neben Unternehmen und Kommunen auch die Bevölkerung sich dem Thema Energieeffizienz zugewendet hat. Eine Steigerung der Energieeffizienz führt dabei meist zu besseren Umweltbedingungen und Kosteneinsparungen. Die BRD geht hierbei mit gutem Beispiel voran und entkoppelt seit mehr als 20 Jahren die Energieproduktivität vom Primärenergieverbrauch.

3. Industrielle Fördertechnologien

3.1 Anwendungsbereiche

Fördertechnische industrielle Anlagen finden sich in allen Bereichen wieder, von der Produktion bis hin zu Montage-, Sortier- und Verteilersystemen. Des Weiteren finden solche Anlagen Verwendung bei Verpackungs-, Transport-, Lager- und Umschlagprozessen. Je nach Beschaffenheit des Fördergutes und den Anforderungen an die Güterfortbewegung kommt eine Vielzahl unterschiedlicher Fördersysteme zum Einsatz. Die Förderanlagen bzw. Fördersysteme werden in Stetigförderer und Unstetigförderer unterteilt.^[4] Bei Stetigförderern sind die zu fördernde Kapazität und der Transportweg vorgegeben. Insbesondere der Transportweg kann häufig nicht an sich ändernde Produktionsabläufe angepasst werden, da die Infrastruktur solche Änderungen nicht vorsieht. Beispiele für Stetigförderer sind Gurtbänder oder Kettenkratzförderer, wie sie im Berg- bzw. Tagebau genutzt werden, Schnecken- und Rollenförderer, sowie pneumatische Förderer. Unstetigförderer hingegen arbeiten bedarfsabhängig in einzelnen oder auch getakteten Intervallen. Hierzu gehören Flurförderfahrzeuge, wie z.B. der Gabelstapler, Elektrokarren, Lifte, Kräne und Regalbediengeräte.^[5] Zum Transport des Gutes sind die Förderer mit Elektromotoren ausgestattet. Es ist somit ersichtlich, dass bei der großen Bandbreite der eingesetzten Elektromotoren im Bereich der Fördertechnik erhebliche Potenziale zur Steigerung der Energieeffizienz bestehen. Einsparpotentiale bedingt dadurch, dass Elektromotoren aufgrund ihrer Bauweise und den technischen Gegebenheiten grundsätzlich Energieverluste aufweisen. Die energetischen Verluste von Elektromotoren werden deswegen nochmal explizit in Kapitel 3.3 „Wirkungsgrad von Elektromotoren“ erläutert.

Zusammenfassend stellt sich heraus, dass in der Fördertechnologie grundsätzlich zwischen dem Stetigförderer und Unstetigförderer unterschieden wird. Welcher Förderer für welchen Zweck zum Einsatz kommt, hängt dabei immer von der zu bewältigten Aufgabe und dem zu transportierenden Gut ab. Elektromotoren weisen aufgrund ihrer technischen Beschaffenheit immer energetische Verluste auf. Weil sie in großer Bandbreite in der industriellen Produktion eingesetzt werden, verbirgt sich in diesem Bereich ein hohes Effizienzpotential, welches es auszuschöpfen gilt. Welche verschiedenen Motorenarten grundsätzlich in der Fördertechnologie zum Einsatz kommen können, und in wieweit man den energetischen Verlusten bei Elektromotoren entgegen wirken kann wird in den Kapiteln 3.2 und 3.3 erläutert.

3.2 Motorenarten

Unterschiedliche Motorenarten kommen in der industriellen Fördertechnik zum Einsatz. Die folgende Abbildung fasst kurz zusammen, um welche Motoren es sich grundsätzlich handelt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Übersicht Elektromotoren; Quelle: www.schrittmotoren.de

Bei den elektrischen Motoren wird grundsätzlich zwischen Gleichstrom- und Drehstrommotor differenziert.

In der Vergangenheit wurden klassische Regelantriebe mit Gleichstrommotoren ausgerüstet. Der Vorteil lag in der dynamischen Leistungsentfaltung dieser Motoren und der einfachen Regelung der Drehzahl. Der größte Nachteil bei Betrieb dieser Motoren lag meist in der fehlenden Gleichspannungsversorgung in den Industriebetrieben.^[6] Zum Betrieb eines solchen Motors wurde ein Gleichstromrichter benötigt, dessen Zwischenschaltung zwischen Spannungsversorgung und Motor den Gesamtwirkungsgrad des Motors herabsetzte. Neben dem schlechten Gesamtwirkungsgrad kamen intensive Wartungs- und Instandhaltungskosten bei Betrieb eines Gleichstrommotors negativ hinzu.^[7] Bei Gleichstrommotoren wird das Drehmoment im Läufer durch ein über die Läuferwicklungen erzeugtes Magnetfeld erzeugt. Für die Übertragung der erzeugten Spannung aus den Läuferwicklungen auf die Rotorwicklungen sind Schleifkontakte und Bürsten nötig, welche wartungsanfällig und verschleißbehaftet sind.

Drehstrommotoren sind derzeit in der Industrie allgemein und insbesondere in der Fördertechnologie am weitesten verbreitet. Sie überzeugen durch Robustheit und relativ geringer Wartungsanfälligkeit. Drehstrommotoren werden zwischen Synchron- und Asynchronmotoren differenziert.

S ynchronmotoren bestehen aus einem drehbar gelagerten Permanentmagneten, dem sogenannten Läufer. Dieser Läufer, auch Rotor genannt, welcher mit Kupferwicklungen überzogen ist, befindet sich dabei in einer Art Käfig, der ebenfalls von drei Kupferwicklungen durchzogen ist. Die drei Kupferwicklungen sind dabei jeweils an eine Phase des Stromnetzes angeschlossen. Durch Spannungsbeaufschlagung wird im Stator ein Magnetfeld erzeugt, welches beim Drehstrom durch einen phasenverschobenen und sinusförmigen Spannungsverlauf gekennzeichnet ist. Das Magnetfeld dreht den Permanentmagneten entsprechend der Netzfrequenz. Synchronmotoren können allerdings nur Leistung bringen, wenn sich der Permanentmagnet entsprechend der Netzfrequenz dreht. Wird der Motor beispielsweise stark belastet, kann sich die Synchronisierung zwischen Rotor und Stator aufheben und der Motor bringt keine Leistung mehr, d.h. er erzeugt kein Drehmoment mehr.^[8]

Abbildung 4: Asynchronmotor; Quelle: www.volz-planung.de

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Der Asynchronmotor besteht, wie der Synchronmotor, aus einem Rotor und einem Stator. Im Gegensatz zum Synchronmotor sind die Läuferwicklungen kurzgeschlossen. Auch bei diesem Motor wird bei Spannungsbeaufschlagung ein Spannungsfeld erzeugt, welches den Rotor in Bewegung setzt. Der wesentliche Unterschied zwischen den beiden Bauweisen liegt in der Rotationgeschwindigkeit der Rotoren. Beim Synchronmotor dreht sich der Rotor entsprechend der Netzfrequenz, beim Asynchronmotor läuft der Rotor der Netzfrequenz nach . „Die Bezeichnung Asynchronmotor rührt daher, dass sich der Rotor nicht synchron mit dem Statormagnetfeld dreht, sondern etwas langsamer läuft. Man spricht von einem Schlupf.“^[9] Dieses Nachlaufen ist konstruktionsbedingt und entsteht durch die berührungslose Induktion eines Magnetfeldes zwischen Stator und Rotor.^[10]

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Motorenarten grundsätzlich zwischen Drehstrom- und Gleichstrom unterscheiden werden. Man konnte zudem feststellen, dass Gleichstrommotoren bauartbedingt wartungsintensiver als Drehstrommotoren sind und eine geringere Robustheit aufweisen. In der Vergangenheit wurden häufig Gleichstrommotoren für Fördereinsätze genutzt. Diese überzeugten durch ihre Dynamik, wiesen allerdings einen geringen Wirkungsgrad auf und wurden letztlich mehr und mehr durch den Drehstrommotor ersetzt. Drehstrommotoren werden differenziert in Asynchron- und Synchronmotoren. Die Unterscheidung hierbei resultiert einzig auf den unterschiedlichen Konstruktionen und Fahrweisen.

[...]

^[1] (AG Energiebilanzen, 2013)

^[2] (Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit, 2014)

^[3] (Spindeldreier, 2009)

^[4] Vgl. (Thomas, 2013)

^[5] Vgl. (Deutsche Energie-Agentur GmbH, 2010, S. 4 ff.)

^[6] Vgl. (Volz D.-I. G., Ratgeber „Elektrische Motoren in Industrie und Gewerbe: Motorenarten.“, 2010, S. 5)

^[7] Vgl. (Volz D.-I. G., Deutsche Energie-Agentur GmbH; Infoblätter Fördertechnik: Elektrische Motoren und Antriebssysteme, 2014, S. 5)

^[8] Vgl. (Volz D.-I. G., Deutsche Energie-Agentur GmbH; Infoblätter Fördertechnik: Elektrische Motoren und Antriebssysteme, 2014, S. 3)

^[9] (Volz D.-I. G., Deutsche Energie-Agentur GmbH; Infoblätter Fördertechnik: Elektrische Motoren und Antriebssysteme, 2014, S. 4)

^[10] Ebd.