Wie Sie die einfachsten Energiesparmöglichkeiten erkennen

11-01-2013 | Energieeffizienz

Fragen und Antworten mit dem Energiemessungsexperten Wade Thompson

Wade Thompson ist ein Fluke-Spezialist für Netzqualität, der früher für RPM und BMI gearbeitet hat. Er spezialisiert sich auf die Behebung von Problemen mit der Netzqualität in Rechenzentren, großen eingebetteten Systemen, Versorgungs- und Industriebetrieben.

F. Was hat Messen mit Energiesparen zu tun?

Es geht immer um die Rendite und das Geschäftsergebnis. Die Betriebe müssen eine bestimmte Energiemenge verbrauchen, um Arbeit zu verrichten – Produkte, Daten, was auch immer. Jedoch verbrauchen die meisten Betriebe zu viel Energie. Sie sind ineffiziente Energieverbraucher. Bis zum letzten Jahrzehnt kümmerte sich das Gebäudemanagement als Industrie nicht wirklich darum – Energie war billig. Als die Energie teurer wurde, begannen sich die Manager für eine Senkung ihrer Stromrechnung zu interessieren, was dann noch in Business-Jargon ausgedrückt werden musste: Wo liegt der Rendite-Konversionspunkt, an dem die Verschwendung groß genug ist, dass ihre Begrenzung Sinn macht? Um diese Frage zu beantworten, müssen Sie messen, wie viel Energie Sie für die verschiedenen Arten von Arbeit (Systeme) in Ihrem Gebäude verbrauchen, und mit den Normen vergleichen. Daraus können Sie dann ersehen, wie viel Energie verschwendet wird. Weitere Messungen können Ihnen bei der Identifikation der Grundursache behilflich sein. Das Ausmaß der Verschwendung in Kombination mit der Ursache und den zu berücksichtigenden Kosten sind die drei Punkte einer Renditegleichung.

F. Wann ist es sinnvoll, für welche Art von Betrieb und an welchen Orten?

Eine Reduzierung des Energieverbrauchs ist sinnvoll für Betriebe, die ihre Gemeinkosten senken möchten, um die Produktivität zu erhöhen – Betriebe, die mit geringeren Mitteln mehr erreichen und nicht nur weniger ausgeben möchten. Eine Energieprüfung zeigt Gelegenheiten zur Effizienzsteigerung auf und liefert dem Betriebsleiter die notwendigen Daten, um zu verstehen, welche Energiesparaktivitäten unter Berücksichtigung der Primärziele des Betriebs sinnvoll sind und welche entweder nicht genug Rendite bieten oder zu weit an den Prioritäten vorbeigehen. Die größten Gelegenheiten bieten sich meist in Betrieben, die über alte, große Systeme mit hohem Energieverbrauch verfügen, die noch nicht optimiert wurden. Weitere gute Kandidaten sind Produktionsbetriebe, die noch nicht viele Automations- oder Steuerungssysteme eingeführt haben, sowie Betriebe mit großen Dampf- oder Druckluftsystemen.

F. Wie groß ist das Einsparpotenzial?

Ich wünschte, ich könnte versprechen, dass jeder Betrieb seine Stromrechnung um 25 Prozent senken kann – das ist eine ziemlich gängige Zahl für das durchschnittliche Einsparpotenzial, die vom Energieministeriums der Vereinigten Staaten genannt wird. Die tatsächlichen Einsparungen hängen von mehreren Faktoren ab. Erstens: Welche Art von Systemen und Aktivitäten gibt es im Betrieb? Große Lasten, die nie mit dem Tarifplan abgestimmt wurden, um die günstigsten Tageszeiten zu nutzen, haben das Potenzial für deutliche Einsparungen. Ein Betrieb, in dem vor allem kleinere Lasten gefahren werden, hat möglicherweise weniger Potenzial. Zweitens: Wie ineffizient sind die Gebäudesysteme? Ein neuerer, regelmäßig gewarteter Betrieb bietet nicht so viele Einsparmöglichkeiten wie ältere Betriebe, in denen die Systeme und Geräte im Laufe der Zeit von den empfohlenen Einstellungen und Wartungsverfahren abgewichen sind.

F. Wenn ich an Energieverschwendung denke, denke ich an durch das Fenster eindringende Kaltluft und an den Austausch alter Glühlampen durch Kompaktleuchtstofflampen. Welche Art der „Energieverschwendung“ geschieht in einem Fertigungsbetrieb oder einem Mischbetrieb?

Beides sind gute Analogien, weil sie den Energieverbrauch in ineffizienten Prozessen veranschaulichen. Wenn Sie Energie zum Erwärmen oder Kühlen von Luft verbrauchen und dazu, die Luft durch das Lüftungssystem zu leiten, nur um sie dann durch das Fenster entweichen zu lassen, zwingen Sie das System zu einer Überproduktion, die zu einem erhöhten Verbrauch führt. Wie viele andere Systeme in dem Betrieb arbeiten aufgrund von verstopften Filtern, überdimensionierten Motoren und aus anderen Gründen härter als sie sollten? Der Einsatz von Glühlampen ist ineffizient aufgrund des hohen Anteils der Energie, die letztlich in Form von Abwärme verschwendet wird. Denken Sie weiter in diese Richtung an all die (möglicherweise) veralteten Geräte in einem Betrieb, die mehr Energie verbrauchen als neue, hocheffiziente Modelle.

In einem Fertigungs- oder Mischbetrieb kann es also in der Tat zu Energieverschwendung durch Beleuchtung und Gebäudehülle kommen. Aber sind das auch die ersten Punkte, auf die man achten sollte? Diese Frage können Sie erst beantworten, wenn Sie die Leistungsaufnahme an allen großen Lasten protokollieren, sie mit Tarifplan und Betriebsplan abgleichen und die Renditeberechnung durchführen. Ziemlich häufig werden in einem Betrieb genügend Einsparungsmöglichkeiten bei Wartung und Betrieb großer Geräte entdeckt, mit denen innerhalb weniger Jahre genügend Geld eingespart werden kann, um das Ersetzen der Geräte durch kleinere Geräte zu beschleunigen.

Q. Wie sehen die ersten Schritte aus? Budgets, Zeit und Ressourcen sind beschränkt.

Arbeiten Sie von einer Basis aus.

Zunächst sollten Sie herausfinden, wo – und wann – Energie verbraucht wird und von welchem Gerät. Wenn Eigentümer, Manager und Techniker eines Betriebs genau verstehen, wie viel Energie für den Betrieb des Unternehmens benötigt und wie viel Energie verschwendet wird, können sie Entscheidungen treffen und einen Plan erstellen. Um dies zu erreichen, sollten Sie sich zunächst Kopien der letzten Stromrechnungen besorgen und nach Anzeichen für Strafzahlungen und Lasten mit Spitzenbedarf suchen. Laden Sie eine Kopie des Tarifplans von der Versorgerwebsite herunter, damit Sie im Abgleich mit Ihrem Betriebsplan erkennen können, wie viel die Energie für Ihre Geräte zu verschiedenen Tageszeiten kostet. Rufen Sie bei Bedarf direkt die Serviceabteilung des Versorgers an, wo man Ihnen gerne weiterhelfen wird.

Weisen Sie dann Ihr eigenes Team oder einen Elektroinstallateur an, die Energie an den Eingängen der Versorgungsleitungen sowie an den Spannungsversorgungen der größten Systeme und Lasten zu protokollieren. kW, kWh und Leistungsfaktor über einen repräsentativen Zeitraum aufzeichnen. Auf diese Weise erhalten Sie ein sehr exaktes Bild Ihres tatsächlichen Energieverbrauchs in dreiphasigen Stromkreisen und Lasten. Die größten Einsparungen ergeben sich häufig durch eine Verlagerung von Lastoperationen auf Tageszeiten mit günstigeren Energiekosten.

F. Sprechen Sie einige Systeme durch, die zu den häufigsten „Verschwendern“ gehören.

Abgesehen vom Abgleich des elektrischen Versorgungssystems schlage ich immer eine Analyse der elektromechanischen, Dampf- und Druckluftsysteme vor. Üblicherweise wird bei ihnen viel Energie verschwendet, was sich ziemlich einfach beheben lässt.

Elektromechanik

Verwendung eines einphasigen Netz- und Stromversorgungsanalysators Fluke 43B zur Analyse eines mechanischen Systems
Verwendung eines einphasigen Netz- und Stromanalysators Fluke 43B zur Analyse eines mechanischen Systems

In einem elektromechanischen System gibt es fünf häufige Arten der Energieverschwendung: elektrisch, mechanisch/Reibung, Planung, Steuerungen und Größe/Effizienz.

  • Spannungs-/Stromüberlast und Phasenunsymmetrie sind zwei starke Ursachen von Energieverschwendung in elektromechanischen Systemen. Beide elektrischen Probleme können mit Netz- und Stromversorgungsanalysatoren und Wärmebildkameraserkannt werden.
  • Energie verschwendende mechanische Situationen manifestieren sich als Überhitzung und übermäßige Vibration, die durch Thermografie- und Vibrationsmessgeräte erkennbar sind. Mögliche Ursachen variieren von Kühlung und Luftstrom bis hin zu Lagerausrichtung und anderen Ursachen für Reibung. Untersuchen Sie mit einer Wärmebildkamera Kupplungen, Wellen, Riemen, Lager, Lüfter, elektrische Komponenten, Verteiler/Anschlusskästen und Wicklungen – alles Dinge, die auf ineffiziente Operationen und damit auf Energieverschwendung hindeuten können.
  • Wie bereits zuvor angedeutet, besteht eine der einfachsten Energiesparlösungen darin, die Leistungsaufnahme bei großen elektromechanischen Lasten über einen vollständigen Betriebsplan hinweg zu protokollieren. Ermitteln Sie, wann die Maschine die meiste Energie verbraucht (häufig beim Start), und prüfen Sie, ob die Verbrauchszeiten auf Tageszeiten gelegt werden können, zu denen die Stromtarife am günstigsten sind.
  • Prüfen Sie anhand desselben Energieprotokolls den Betriebsplan darauf hin, wie oft die Maschine Energie verbraucht. Wie viel Energie wird verbraucht, wenn die Maschine nicht aktiv genutzt wird? Ohne Verwendung der Steuerungen müssen die meisten Maschinen manuell ausgeschaltet werden, damit sie keine Energie mehr verbrauchen. Manuelle Aktionen werden jedoch nicht immer ausgeführt. Nicht alle Maschinen können realistischerweise abgeschaltet werden, aber die meisten können in einen Energiesparmodus versetzt werden. Steuerungen variieren von einfach bis vollautomatisch. Es können Sensoren und Zeitschaltungen eingesetzt werden, um Maschinen in den Energiesparmodus zu versetzen, oder auch Operationen in eine SPS programmiert werden.
  • Größen- und Effizienzspezifikation. Besonders in älteren Betrieben ändern sich die betrieblichen Anforderungen, aber die Lasten bleiben wie sie sind. Das bedeutet, dass manchmal ein großer, teurer und schwer zu startender Motor für den Antrieb eines Systems mit einer geringeren Leistungsaufnahme eingesetzt wird. Jeder Betriebsleiter versucht natürlicherweise, die Lebensdauer einer großen Maschine zu maximieren. Es lohnt sich jedoch zu protokollieren, wie viel Leistung der Motor verglichen mit den tatsächlichen Lastanforderungen und mit einer neuen, hocheffizienten und richtig bemessenen Maschine aufnimmt. Berechnen Sie, wie viel überschüssige Energie verbraucht wird, und multiplizieren Sie diesen Wert mit dem entsprechenden Wert im Tarifplan. Ermitteln Sie, wie lange ein neuer Motor brauchen würde, um sich zu rentieren: Manchmal macht es finanziell Sinn, Maschinen zu ersetzen, bevor sie ausfallen. Überlegen Sie andererseits, ob Steuerungen zur Modulation der Ausgangsleistung verwendet werden können.

Dampf

Durchführung einer Inspektion mit einer Wärmebildkamera Fluke Ti105
Durchführung einer Inspektion mit einer Wärmebildkamera Fluke Ti105

Die Prozessheizung ist für einen beträchtlichen Anteil der kontrollierbaren Betriebskosten verantwortlich. Das System muss regelmäßig inspiziert werden, um mehrere verschiedene Energieverschwendungsszenarien zu vermeiden. Protokollieren Sie zunächst den Energieverbrauch am Heizkessel, um sich einen ersten Eindruck über den Energieverbrauch zu verschaffen. Inspizieren Sie anschließend das Stromverteilungssystem mit Kondensatabscheidern, Manometern, Isolierungen, Pumpen und Ventilen. Verwenden Sie eine Wärmebildkamera, um ausgefallene Kondensatabscheider, Lecks, Blockierungen, Qualitätsprobleme und Kondenswasserausfälle zu erkennen: Das Ziel besteht darin, möglichst viel vorgewärmtes Kondenswasser in den Heizkessel zurückzuleiten.

Ein Ultraschallleckdetektor kann auch zur Erkennung von Dampflecks verwendet werden. Suchen Sie nach lockeren oder fehlenden Isolierungen und prüfen Sie die ordnungsgemäße Funktion aller Kondensatabscheider. Reinigen Sie die Heizkessel von innen und prüfen Sie die Dampfübertragungsleitungen auf Blockierungen. All diese Maßnahmen zusammen helfen Ihnen zu erkennen, wo Energie verschwendet wird, und helfen dem Team bei der Planung von Energiesparlösungen – von denen viele häufig durch Wartungsmaßnahmen statt über Kapitalausgaben umgesetzt werden können.

Druckluft

Untersuchung eines Luftkompressors mit einem Fluke Serie 434 II Stromversorgungsanalysator

Ein Luftkompressor mit 100 PS kann etwa 50.000 $ an Stromkosten im Jahr verbrauchen. 30 Prozent dieser Elektrizität geht in die Erzeugung von Druckluft, die aufgrund von Verteilungslecks und verschwenderischen Nutzungsgewohnheiten nie genutzt wird¹. Dennoch haben viele Betriebe die Effizienz des Druckluftbetriebs nie analysiert. In der Tat kaufen viele Betriebe, wenn mehr Luftdruck benötigt wird, einen zusätzlichen Kompressor und betreiben diesen, ohne jemals zu erkennen, dass sie bereits mit dem vorhandenen System mehr Druck erzeugen könnten.

Aus Studien der Compressed Air Challenge² geht hervor, dass lediglich 17 Prozent der Druckluftbenutzer Effizienz als Managementziel eines Druckluftsystems zu schätzen wissen. Für 71 % war das Ziel lediglich die konsistente, zuverlässige Druckluftversorgung. Diese Philosophie lässt sich bis hin zum Einsatzort übertragen: Installationen pneumatischer Maschinen fehlt es häufig selbst an einfachen Absperrmagnetventilen, was zu einem kontinuierlichen Kompressorbetrieb führt, und Fertigungsmitarbeiter behandeln Druckluft häufig wie eine kostenlose Ressource, verwenden sie zum Reinigen des Arbeitsbereichs oder sogar, um sich abzukühlen. In Wirklichkeit ist die Erzeugung von Druckluft ziemlich teuer.

Um das Maß der Verschwendung zu erkennen und zu quantifizieren, sollten Sie zunächst an allen Luftkompressoren die Leistung über einen vollen Konjunkturzyklus protokollieren. Auf diese Weise können Sie feststellen, wie viel Energie zur Erzeugung der aktuellen Druckluftniveaus benötigt wird. Protokollieren Sie außerdem den Druck am Kompressorausgang im Vergleich zum Einsatzort, ermitteln Sie den Betrag des Druckabfalls und überprüfen Sie den vom Hersteller angegebenen Druck, der für den Betrieb von pneumatischen Maschinen benötigt wird. Stellen Sie nicht „einfach so“ einen Überdruck her. Ein an ein Druckmodul angeschlossenes Logging-Multimeter ist eine Möglichkeit zur Durchführung dieser Tests, ohne in Spezialgeräte investieren zu müssen. Verwenden Sie schließlich einen Ultraschall-Leckdetektor für eine möglichst umfassende Untersuchung der Luftleitungen, um Ort und den Umfang von Luftlecks zu ermitteln.

Schritte zur Verbesserung der Energieeffizienz beinhalten die Behebung erkannter Lecks, das Einstellen von Kompressoren, um nur das notwendige Druckniveau zu erzeugen, das Installieren von Luftsperrventilen am Einsatzort und das Verwenden von Behältern für hochvolumige Anwendungen anstelle einer Erhöhung des Gesamtsystemdrucks.

¹Improving Compressed Air System Performance: a Sourcebook for Industry: Section 12 (Verbesserung der Betriebseigenschaften von Druckluftsystemen: ein Sourcebook für die Industrie: Abschnitt 12), „Compressed Air System Economics and Selling Projects to Management“ (Wirtschaftlichkeit von Druckluftsystemen und Verkaufen von Projekten gegenüber dem Management), S. 69.

²Siehe „Appendix D“ (Anhang D) von „Improving Compressed Air System Performance: a Sourcebook for Industry“ online unter http://www.compressedairchallenge.org/library/#Sourcebook. Studie in Auftrag gegeben vom Energieministerium der Vereinigten Staaten mit technischer Unterstützung durch die Compressed Air Challenge (CAC).