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Stromsparen mit Frequenzumrichter

06.12.2011 -

Der Frequenzumrichter – das Strom-Sparschwein. Frequenzumrichter zur Drehzahlregelung von Elektromotoren zählen zu den effektivsten Mitteln für die Energie-Einsparung. Mit Blick auf unangenehm hohe Stromrechnungen wird in der Industrie nach effektiven Möglichkeiten gesucht, diese Kosten zu senken. Unter den verschiedenen Möglichkeiten stehen Frequenzumrichter zur Drehzahlregelung von Drehstrommotoren – auch in bereits vorhandenen Maschinen und Anlagen – an vorderster Stelle. Welche Sparpotentiale bieten diese Drehzahlregelgeräte? Wo gibt es sinnvolle Einsatzbereiche in der Chemie- und Pharmaindustrie? Welche Erfahrungen hat Danfoss bislang mit Anlagenbetreibern gemacht hat, wenn es um diese Energiespartechnik geht? Diese und weitere Fragen richtete CHEManager an Frank Jüngst, Vertriebsleiter für Frequenzumrichter bei Danfoss. Die Fragen stellte Dr. Dieter Wirth.

CHEManager: Herr Jüngst, zunächst ganz einfach gefragt: Besteht in Chemie-, Pharma- oder petrochemischen Unternehmen bzw. Anlagen ein hohes, vielleicht sogar überdurchschnittliches Potential, den Stromverbrauch mithilfe von Frequenzumrichtern für Elektromotoren zu senken?

Frank Jüngst: Ja, in der chemischen Industrie gibt es große Potentiale, den Stromverbrauch zu senken, wodurch diesem Industriezweig eine besondere Verantwortung zukommt. Mit 441.000 Mitarbeitern und 153 Mrd. € Umsatz befindet sich die chemische Industrie auf Rang 4 der größten Industriebranchen in Deutschland. Um diese Position zu erreichen, verbraucht sie allerdings rund 21 % der Gesamtenergie in Deutschland – und das bei einem Mitarbeiteranteil von nur 7,5 % am verarbeitenden Gewerbe. Das sagt schon viel über die Potentiale aus.

Ihr Unternehmen begeht in diesem Jahr ein Jubiläum – es baut seit 40 Jahren Frequenzumrichter. Da darf man wohl sagen, dass diese Technik ausgereift und auf breiter Ebene verfügbar ist?

Frank Jüngst: Richtig, unsere modernen, modular aufgebauten Frequenzumrichter sind für alle Applikationen verfügbar. Sie haben einen großen Einfluss auf die heutige Antriebstechnik. Nicht zuletzt waren sie es, die die kostengünstigen, robusten und wartungsarmen Drehstromasynchronmaschinen zum Standardmotor in vielen Anwendungen machten. Im Augenblick zählen Frequenzumrichter zu den effektivsten Mitteln, um für die in der Diskussion um Klimawandel und Erderwärmung geforderte Energieeinsparung zu sorgen. Nur effiziente Gesamtsysteme werden den Bedarf an Energie schnell und wirksam senken.

Wenn Sie aus Ihrem Blickwinkel – also dem des Vertriebs – die Anstrengungen von Anlagenbetreibern, die Stromkosten zu senken, betrachten, wo oder auf welcher Unternehmensebene führt ihre Vertriebsmannschaft mit Anlagenbetreiben die besten Gespräche?

Frank Jüngst: Das ist so einfach nicht zu beantworten. Generell steht Danfoss auf dem Standpunkt, dass die Gesamtbetrachtung einer Anlage im Vordergrund stehen muss. Es reicht heute nicht mehr aus, nur nach den Anschaffungskosten einzelne Komponenten oder eine gesamte Anlage auszusuchen, wie es immer noch in vielen Unternehmen der Fall ist. Diese Kosten schlagen über die gesamte Lebensdauer einer Anlage meist nur mit 10 % zu Buche. 90 % entstehen im laufenden Betrieb, ein großer Teil davon sind Energiekosten, deren Anteil aufgrund der Kostenexplosion immer weiter wächst. An dieser Stelle ist die Geschäftsleitung gefragt, die ihr Augenmerk mehr auf die langfristige Kostenentwicklung legen muss. Aber ein generelles Umdenken in Bezug auf Energieverbrauch und dem Ressourcen- schonenden Umgang findet nur in der Zusammenarbeit aller Unternehmensebenen statt.

Welche technischen Daten müsste ein Anlagenbetreiber ermitteln, um sich einen groben Überblick über die Energieeinsparpotentiale mit Frequenzumrichtern in seinen eigenen Anlagen verschaffen zu können?

Frank Jüngst: Um die maximalen Einsparpotentiale zu realisieren, muss sich der Anlagenbetreiber bereits in der Planungsphase mit seinem Anlagenbauer zusammensetzen. Für eine optimale Auslegung sind zwar betriebliche Reserven einzuplanen, sie müssen aber in vernünftigem Rahmen erfolgen. Außerdem muss der Anlagenbetreiber prüfen, ob sich nicht bereits in den Nebenprozessen Energie sparen lässt, ohne den Prozess zu beeinflussen. So kann in vielen Fällen beispielsweise in einer Druckluftanlage der Druck ohne weiteres um ein halbes oder ein Bar gesenkt werden, was sich positiv auf die Energiekosten auswirkt. Auf diese Weise muss der Betreiber seine Produktion Schritt für Schritt überprüfen und dann vernünftige Werte festlegen. Ein weiterer Gesichtspunkt ist das Betriebsprofil des Antriebs. Es ist unsinnig, einen Motor, der permanent auf Volllast fahren muss, mit einer Drehzahlregelung auszurüsten. Läuft der Motor aber die meiste Zeit im Teillastbetrieb, wie es bei vielen Pumpen und Lüftern der Fall ist, so ist ein Frequenzumrichter unbedingt erforderlich. Sind diese Daten erfasst, lässt sich die Energieeinsparung schon recht gut abschätzen. Danfoss bietet für eine genauere Abschätzung die „Energiebox“, eine Software, die aufgrund der Applikation, des Betriebsprofils und der Antriebsgröße die Einsparungen berechnet.

Wie hoch sind die möglichen Sparpotentiale im Antriebsstrang, ausgehend vom Elektromotor?

Frank Jüngst: Das Einsparpotential in der Industrie liegt bei 27,5 Mrd. kWh, damit sind Pumpen, Ventilatoren, Kompressoren oder Zentrifugen gemeint. Umgerechnet bedeutet das eine Einsparung von 11 % des gesamten industriellen Stromverbrauchs oder 2,2 Mrd. € pro Jahr. Um dieses Potential insgesamt zu realisieren, muss aber das Gesamtsystem optimiert werden, denn 10 % der Einsparung lassen sich durch hocheffiziente Motoren erzielen, 30 % schon mit einer effektiven Drehzahlregelung, aber das Gros von 60 % erreicht der Betreiber nur durch eine Optimierung des Systems.

Wie geht die Nachrüstung bestehender Maschinen und Anlagen praktisch vor sich? Kann der Kunde einfach bei Ihnen anrufen und sein ‚Problem’ schildern?

Frank Jüngst: Mit unseren branchenorientierten Teams unterstützen wir den Kunden gerne bei der Nachrüstung. Unsere Spezialisten analysieren gemeinsam mit ihm seine Anlage und legen dann die wichtigsten Maßnahmen fest. Dazu gehört auch, zu prüfen, ob für ältere Motoren eventuell ein Sinusfilter erforderlich ist, oder aufgrund höherer Netzrückwirkungen die Trafobelastung durch geeignete Gegenmaßnahmen verringert werden muss. Danfoss selbst oder unser Netz von Partnerfirmen helfen dann bei Montage und Inbetriebnahme, so dass der Kunde mit für ihn minimalem Aufwand ein lauffähiges System erhält.

Die Energiekosten stellen aber nur ein Teil der Gesamtkosten beispielsweise einer Pumpe. Bringen Frequenzumrichter auch Vorteile bei den Life Cycle-Kosten?

Frank Jüngst: Hersteller von Frequenzumrichtern – so auch Danfoss – werben auch für gesenkte Life Cycle Costs oder reduzierte Total Costs of Ownership beim Einsatz moderner Frequenzumrichtertechnik. Bereits eine Erhöhung des Wirkungsgrads von 96 auf 98 % hat erhebliche Einsparungen zur Folge. Für einen Antrieb mit 500 kW, der in 3 Schichten genutzt wird und 10 Jahre im Dienst ist, bedeutet das eine theoretisch mögliche Einsparung von bis zu 876.000 kWh. Zum Vergleich: Dieser Wert entspricht dem jährlichen Energieverbrauch von 35 durchschnittlichen 4-Personen-Haushalten in Deutschland. Doch auch sonst schonen die Frequenzumrichter nicht nur die Anlage sondern auch den Geldbeutel. Sie starten und stoppen sanft und regeln beispielsweise Pumpensysteme stufenlos. Dies vermeidet – anders als beim direkt am Versorgungsnetz betriebenen Motor – Momentenstöße. Durch die Schonung des Motors und seiner nachgeschalteten Komponenten sorgen Frequenzumrichter so für längere Instandhaltungsintervalle. Integrierte Schutzfunktionen machen externe Komponenten überflüssig.

Neben Pumpen gibt es viele weitere Maschinen und Anlagen, in denen Elektromotoren mehr Energie als nötig verbrauchen. Wo sollten die Verantwortlichen hinschauen, um mögliche Sparpotentiale zu ermitteln?

Frank Jüngst: Auch hier gilt wieder, dass die Verantwortlichen den gesamten Prozess analysieren sollten. In vielen Fällen können in den Nebenanlagen wie beispielsweise Pumpen, die Betriebswerte besser angepasst werden. Mit Reduzierung der Pumpendrehzahl um 20 % lassen sich die Energiekosten auf bis zu 60 % reduzieren. Nicht zuletzt sollten die Betreiber jedoch alle Motoren auf ihr charakteristisches Betriebsverhalten, also Laufzeit, Auslastung usw., prüfen, um verborgene Einsparpotentiale zu ermitteln.

Können Frequenzumrichter auch in explosionsgeschützten Bereichen problemlos betrieben werden oder gibt es da bestimmte Einschränkungen?

Frank Jüngst: Prinzipiell darf ein Frequenzumrichter im Explosionsbereich nicht betrieben werden, da er im Sinne des Explosionsschutzes als Zündquelle gilt. Ist der Anwender gezwungen, ihn in diesem Rahmen einzusetzen, so gibt es verschiedene Möglichkeiten. Er kann beispielsweise den Umrichter in einem Überdruckgehäuse unterbringen. Dieser speziell ausgerüstete Schaltschrank wird mit einer Zuluftleitung oder Stickstoffleitung angefahren. Es erfolgt eine permanente Überwachung des Innendrucks – der etwa 0,5 mbar über dem Atmosphärendruck der Umgebung liegt- und der Leckmenge. Das Innere des Schaltschrankes gilt dann als „explosionsfreie Zone“. Alternativ kann der Anwender den Frequenzumrichter in einem druckfesten Gehäuse einbauen. Ein druckfestes Gehäuse ist in seinem Inneren per Definition ein Nicht-Explosionsbereich. Im Innern darf eine Explosion stattfinden, der das Gehäuse allerdings standhalten muss. Entstehende Gase dürfen nur so nach außen gelangen, dass die benötigte Zündenergie und -temperatur nicht erreicht wird.

Kurzprofil Danfoss

1933 von dem dänischen Ingenieur Mads Clausen gegründet, begeht der Danfoss-Konzern in diesem Jahr sein 75-jähriges Bestehen. Weltweit beschäftigt der Konzern mehr als 22.000 Mitarbeiter bei einem Jahresumsatz 2007 von 22,2 Mrd. DKK (etwa 3 Mrd. €). Danfoss teilt sich in 3 große Geschäftsbereiche: Kältetechnik, Wärmetechnik, und Motion Controls. Die VLT Antriebstechnik aus dem Bereich Motion Controls, der vor 40 Jahren die ersten serienmäßigen Frequenzumrichter baute, fertigt heute jährlich ca. 700.000 Umrichter in den Leistungsbereichen von 0,25 bis 1.200 kW.

Kontakt:
Frank Jüngst
Danfoss GmbH, Offenbach
Tel.: 069-8902-0
Fax: 069-8902-106
frank.juengst@danfoss.com
www.danfoss.de/vlt

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