Klimaschutz und kaufmännische Entscheidungen stehen nicht im Widerspruch. Wer Einsparpotenziale in bestehenden Anlagen aufdeckt und nutzt, kann schnell CO₂ reduzieren und Geld sparen. Zudem sinkt die Amortisationszeit von Investitionen mit steigenden Energiekosten.

• Um Einsparpotenziale im Antriebsstrang aufzudecken, muss nicht zwingend die Anlage erneuert werden. Oft erreicht man schon viel, wenn der Bestand modernisiert wird.

• Einen großen Hebel beim Energieverbrauch sieht der Autor bei Elektromotoren. Gerade bei Anwendungen, die veränderliche Drehzahlen erfordern, lässt sich Energie sparen.

• Das Nachrüsten von Frequenzumrichtern ist hier eine Lösung – die sich zudem schnell amortisieren kann.

Steigende Energiepreise, lange Lieferzeiten für elektronische Komponenten und der Wunsch möglichst bald klimaneutral zu werden: Das ist die Aufforderung, jetzt neue Wege zu gehen, anstatt auf technische Wunder und staatliche Unterstützung zu warten.

Daher liegt es nahe, auf bewährte technische Lösungen zurückzugreifen und diese mit bekannten Geschäftsmodellen zu kombinieren. Hierdurch entstehen interessante Möglichkeiten für Unternehmen, bei denen sich Klimaschutz und wirtschaftliche Vorteile gleichermaßen verwirklichen lassen.

Ökodesign-Richtlinie

Neue Anforderungen an Elektromotoren und Frequenzumrichter

Üblicherweise gehört Energieeffizienz bei Neuanschaffungen von Anlagen und Maschinen zu den Entscheidungskriterien. Dies gilt vor allem dann, wenn bei der Investitionsentscheidung nicht nur die Anschaffungskosten, sondern – kaufmännisch vorausschauend – auch die Betriebs- und Lebensdauerkosten berücksichtigt werden.

Einsparpotenzial in bestehenden Anlagen nutzen

Doch nicht alles kann und muss zum jetzigen Zeitpunkt erneuert werden, um energieeffizient und kostensparend zu werden. Oftmals steckt in bestehenden Anlagen Einsparpotenzial, welches durch das Hinzufügen bewährter Technik mit verhältnismäßig überschaubarem Aufwand gehoben werden kann. Verbunden mit einer einfachen Finanzierung entsteht daraus ein sofortiger Vorteil für Unternehmen und Umwelt.

Über Energiewende, Klimaschutz und Nachhaltigkeit wird derzeit viel diskutiert, oft kontrovers, manchmal auch ermüdend, weil sich vieles wiederholt. Obwohl sich in den vergangenen Jahren einiges getan hat, besteht nach wie vor eine Lücke zwischen dem, was getan werden sollte, und dem, was tatsächlich getan wird. Einer der Gründe hierfür ist eine mangelnde Veränderungsbereitschaft, da notwendige Veränderungen oft fälschlicherweise mit Verzicht und Zwang assoziiert werden. Zudem werden Wirtschaftlichkeit und Klimaschutz oft als Gegensatz dargestellt. Dennoch gibt es Lösungen, bei denen wirtschaftliche Vorteile im Vordergrund stehen und der Klimaschutz ein positiver „Nebeneffekt“ ist.

Elektrische Antriebe verbrauchen viel Energie und bieten Chancen

Effizienzsteigerungen bieten oft wirtschaftliche Potenziale, die gleichzeitig klimaschützende Wirkung haben. Bereiche mit großen und teuren Energieverbräuchen sind daher interessant. Da etwa die Hälfte des Stromverbrauches in Deutschland auf die Industrie entfällt und davon wiederum etwa zwei Drittel in mechanische Energie umgewandelt werden, gelangt man schnell zu Elektromotoren, die in verschiedensten Varianten und in unzähligen Anwendungen eingesetzt werden. Schon heute unterliegen neue Elektromotoren gesetzlichen Anforderungen bezüglich ihres Wirkungsgrades. Außerdem werden neben den meist gebräuchlichen Asynchronmotoren zunehmend hocheffiziente Motoren wie zum Beispiel Permanentmagnetmotoren oder Synchronreluktanzmotoren verwendet.

Neben dem Wirkungsgrad der Motoren selbst spielt auch der Wirkungsgrad der von ihnen angetriebenen Komponenten eine Rolle, da die Wirkungsgrade der einzelnen Teile den Gesamtwirkungsgrad der Anlage ergeben. Idealerweise würde man optimal ausgelegte Anlagen mit optimal aufeinander abgestimmten Komponenten möglichst immer an ihrem besten Betriebspunkt betreiben. Die Realität zeigt jedoch, dass dies nicht immer der Fall ist. Wenn überhaupt besteht dieser Zustand oft nur eine Zeit lang nach der ersten Inbetriebnahme, solange sich Auslegung, Umsetzung sowie geplante und tatsächliche Nutzung noch entsprechen.

Wirtschaftliches Dilemma von Kostendruck und Modernisierungsbedarf

Der bestehende Maschinen- und Anlagenpark in Deutschland kann und wird jedoch in der nächsten Zeit nicht vollständig runderneuert werden. Teilweise fehlen infolge der Pandemie die notwendigen Mittel oder die steigenden Kosten für Rohstoffe und Energie erschweren den Unternehmen die Investitionen in Modernisierungen, die zur Kostenreduktion hilfreich wären.

Zudem sind zahlreiche Anlagen und Maschinen für eine lange Lebensdauer ausgelegt und werden oft länger betrieben als ursprünglich geplant. Diese langlebigen Güter sind dann aber hinsichtlich ihres Energieverbrauches häufig auf einem veralteten Stand. In diesem Fall besteht allerdings oft ein großes Einsparpotenzial, ohne die gesamte Anlage austauschen zu müssen. Bezogen auf Ressourcen, Investitions- und Veränderungsaufwand ist eine gezielte Modernisierung daher interessant – zumal Einsparpotenziale und CO₂-Reduktionen oft schnell realisierbar sind.

Drehzahlregelung von Elektromotoren im Bestand nachrüsten

Die am häufigsten in der Industrie eingesetzten Asynchronmotoren verfügen bauartbedingt über feste Drehzahlen. Im europäischen 50-Hz-Netz sind dies knapp 3000 min^-1, 1500 min^-1 oder 1000 min^-1. Da jedoch zahlreiche Anwendungen andere oder veränderliche Drehzahlen erfordern, werden Asynchronmotoren oft mit Getrieben oder in Verbindung mit Frequenzumrichtern zur elektronischen Drehzahlregelung eingesetzt. Letzteres gilt insbesondere für ausgereifte und verbrauchsoptimierte Neuanlagen.

Solange ungeregelte Elektromotoren für die jeweilige Anwendung und Nutzung richtig ausgelegt sind, immer ihre Nenndrehzahl und -leistung erbringen müssen und bestenfalls einen guten Wirkungsgrad besitzen, besteht kein Handlungsbedarf. Zumal ein Frequenzumrichter einen – wenn auch relativ geringen – Eigenverbrauch hat, der über die Einsparung innerhalb des ganzen Antriebssystems gerechtfertigt sein müsste.

Wann die Drehzahlregelung auch Einsparpotenzial eröffnet

Wichtig wird das Thema jedoch bei Anwendungen, die andere oder wechselnde Drehzahlen und Leistungen erfordern. Oft wird dann ein Teil der von den Motoren erbrachten Arbeit und somit ein Teil der aufgewendeten Energie über mechanische Regulierungen wie Ventile oder Klappen zunichte gemacht.

Besonders deutlich ist das Einsparpotenzial beispielsweise bei Lüfteranwendungen und Kreiselpumpen. Aufgrund physikalischer Gegebenheiten (der sog. „quadratischen Kennlinie“) führt die Verdopplung der Drehzahl eines Lüfters bzw. einer Kreiselpumpe zum vierfachen Drehmoment und zum achtfachen Energieverbrauch. Umgekehrt folgt daraus, dass die halbe Drehzahl nur noch ein Viertel des Drehmomentes und ein Achtel der Energie benötigen würde. In diesen Fällen, in denen das Reduzieren der Drehzahl auch nur zeitweise in Frage kommt, steckt deutliches Einsparpotenzial.

Pumpenanwendung macht Einsparpotenzial anschaulich

Anhand von Pumpenanwendungen lassen sich die Vorteile von Drehzahlregelungen anschaulich darstellen. Für andere Anwendungen mit quadratischen Kennlinien gilt Entsprechendes. Bild 1 zeigt drei mechanische Regelungsarten und die Regelung mit Frequenzumrichter. Aus Bild 2 ergibt sich anhand der Größe der farblich hinterlegten Rechtecke der Verbrauch bei den verschiedenen Regelungsarten.

Die möglichen Einsparungen lassen sich zum Beispiel mit Onlineprogrammen der Hersteller berechnen. Basierend auf technischen Daten, Betriebsweise und Strompreis liefern diese Programme ein rechnerisches Ergebnis über die Reduktion von Stromverbrauch, -kosten und CO₂. Bild 3 zeigt bei einem angenommenen Strompreis von 0,10 Euro pro Kilowattstunde, welche Potenziale in einer 11-Kilowatt-Pumpe mit mechanischer Drosselung, im „Glockenkurven-Betrieb“ und einer jährlichen Laufleistung von 4.000 Stunden stecken.

Wie lange dauert die Amortisationszeit?

Vor der konkreten Datenerhebung und Berechnung von Einsparpotenzialen empfiehlt sich zunächst eine Sichtung der vorhandenen Anlagen. Das dargestellte Einsparpotenzial ist – neben dem Umstand, dass noch keine elektronische Drehzahlregelung besteht – abhängig von der Leistung des Motors, seiner jährlichen Laufzeit und der Menge der „vernichteten Arbeit“. Je größer diese Faktoren sind, desto größer ist das Einsparpotenzial und desto kürzer die Amortisationszeit.

Konkreter wird eine erste Sondierung, indem man Listen verwendet, welche die Betriebsstunden bis zur Amortisation eines Frequenzumrichters zeigen. Darin werden die Berechnungen eines Einsparrechners exemplarisch vorweggenommen. Solche Listen können jedoch nur eine grobe Orientierung geben, da individuelle und komplexe Zusammenhänge sehr vereinfacht werden und nur der minimale Lieferumfang zur Orientierung herangezogen wird. Bild 4 zeigt, bezogen auf die Nennleistung des Pumpenmotors, für die zwei Betriebsarten „Glockenkurve“ (Förderrate entspricht einer Glockenkurve) und „80-Prozent-Betrieb“, wie viele Betriebsstunden bei einem Strompreis von 0,10 Euro pro Kilowattstunde notwendig sind, um den Listenpreis eines handelsüblichen Standardumrichters von 2020 ohne Extras über die Einsparung wieder hereinzuholen. Bei 0,10 Euro pro Kilowattstunde handelt es sich um eine zurückhaltende Annahme; höhere Strompreise verkürzen die Amortisationsdauer entsprechend und bieten noch größeres wirtschaftliches Einsparpotenzial.

Der Vorteil besteht darin, dass zu Beginn der Suche oft nicht alle Daten verfügbar sind, die nötig wären, um einen Onlinerechners zu nutzen. Trotzdem braucht man eine grobe Orientierung, wo möglicherweise Potenziale stecken, die eine weitere Datenermittlung rechtfertigen.

Nachrüsten von Frequenzumrichtern: pragmatisch vorgehen

Das Nachrüsten von Frequenzumrichtern stößt gelegentlich auf Vorbehalte, da die Einsparung zunächst nur auf dem Papier steht und negative Auswirkungen auf Prozess und Anlage befürchtet werden. Der Einstieg erfolgt daher zunächst über die „robusteren“ Anwendungen und Prozesse, zum Beispiel dort, wo größere Mengen an Wasser, Luft oder anderen Medien in groben Teilmengen bewegt werden. Statt bei den ausgefeilten Kernprozessen der eigenen Fertigung würde man bei den eher „nachrangigeren“ Prozessen beginnen, da die Kernprozesse oft schon optimiert sind und dort häufig modernste Anlagen eingesetzt werden.

Vor der endgültigen Entscheidung über die Nachrüstung besteht zudem die Möglichkeit einer „Probefahrt“, um den Effekt vor Ort realistisch zu überprüfen. Dabei wird zunächst der Stromverbrauch der betreffenden Anwendung isoliert ermittelt. Dies kann entweder durch ein vorhandenes System zur Verbrauchserfassung erfolgen oder durch ein temporär eingesetztes Messgerät (Bild 5). Anschließend folgt der testweise Einsatz eines „mobilen“ Frequenzumrichters (Bild 6) mit erneuter Messung.

Neben der Energieeinsparung bietet die Nachrüstung von Frequenzumrichtern weitere Vorteile für den Betrieb: die Anlaufstromspitzen reduzieren, die mechanische Belastung der Anlage verringern, aber auch eine höhere Variabilität und Regelbarkeit, bis hin zur Einbindung in übergeordnete Systeme und das Erheben von Betriebsdaten. Darüber hinaus verfügen Umrichter oft über anwendungsspezifische Zusatzfunktionen wie Pumpenreinigungsfunktion oder Kavitationsschutz.

Jetzt handeln heißt früher sparen

Nicht jedes Unternehmen verfügt über die Fähigkeit zur Nachrüstung von energieeffizienter Technik. Entweder liegen die Kompetenzen in anderen Bereichen oder vorhandene Kräfte werden anderweitig gebraucht. Daher empfiehlt sich die Zusammenarbeit mit Fachfirmen, die auch technische Nachbarbereiche bedienen können. Häufig ergeben sich aus der Entwicklung und erfolgreichen Umsetzung eines Einsparprojektes weitere Einsparmöglichkeiten. Wichtig ist dabei eine praktische und pragmatische Umsetzungskompetenz, die über das theoretische Erfassen und Beschreiben von Einsparmöglichkeiten hinausgeht.

Ungeregelte elektrische Antriebe bieten interessante Einsparpotentiale. Diese zu heben ist sowohl aus wirtschaftlicher als auch aus Sicht des Klimaschutzes sinnvoll. Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit schließen sich dabei nicht aus, sondern ergänzen sich. Wie bei allen Verbesserungen geht es darum, vom „Reden“ ins „Tun“ zu kommen, denn je früher Einsparmaßnahmen umgesetzt werden, desto früher, länger und mehr hat man davon. Ganz nebenbei schützt man sogar das Klima.

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* Max Burger ist Inhaber und Geschäftsführer der Iwik GmbH in 64625 Bensheim sowie Mitbegründer und Geschäftsführer der Instagreen GmbH in 69221 Dossenheim, info@iwik.de, interesse@insta-green.de, Tel. +49 6251 826398-0

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