Industrielle Energieverschwendung entdecken

03-07-2014 | Energieeffizienz

Probleme erkennen, Lösungen quantifizieren und ROI prüfen

Im Zusammenhang mit Energieeinsparungen gibt es Ziele und Pläne. Industrieanlagen in den Vereinigten Staaten zeigen ein nachhaltiges Interesse an Energiemanagement. Dies ist das Ziel: den Gesamtenergieverbrauch senken oder den Verbrauch konstant halten, aber die Produktivität je verbrauchter Kilowattstunde erhöhen.

Der Plan? Manchmal ist das ein Problem.

In der Fertigung hat ein Plan nur dann eine Chance, wenn die Vision mit Erfahrung verbunden ist und mit Renditezahlen untermauert werden kann. Was jedoch Energie angeht, so hat der Manager eines Industriebetriebs einfach nicht die Recherchekapazitäten, um die Grundbedingungen für einen „angemessenen“ Energieverbrauch in einem Fertigungsbetrieb festzulegen. Wie lässt sich also einschätzen, welcher Anteil des aktuellen Stromverbrauchs angemessenen und was Verschwendung ist bzw. welcher verschwenderische Anteil eine ausreichend hohe Rendite ermöglicht?

Die hier besprochene Rendite sind die vom Versorger berechneten Kosten pro kWh. Diese Einheiten verändern sich je nach Tages- und Jahreszeit. Durch Einsparungen lassen sich diese Ausgaben reduzieren. Die Investition besteht in den Materialien und der Arbeitskraft, die für eine Veränderung des Energieverbrauchs benötigt werden. Der Ertrag ist der Zeitraum, in dem sich die Investition durch die geringere Stromrechnung bezahlt macht. Nach der Bezahlung der Kosten beginnt der positive Effekt.

Wenn wir zur Frage des Plans zurückkehren: Wie lässt sich eine Renditeschätzung vornehmen, wenn es keinen Industriestandard für einen angemessenen Energieverbrauch gibt?

Profilierung des industriellen Energieverbrauchs

Der industrielle Energieverbrauch ist von mehreren Variablen abhängig:

  • Alter der Anlage
  • Art und Größe der Last
  • Betriebsplan (Stunden pro Woche und Lastintensität)
  • Anzahl der Arbeiter
  • Klima
  • Wartungsphilosophie

Die Antwort lautet: Versuchen Sie nicht, jede von Ihrer Anlage verbrauchte Kilowattstunde zu managen. Hierbei handelt es sich um den Erfahrungsteil der Gleichung. Unterteilen Sie den Betrieb in elektrische Infrastruktur und Schlüsselsysteme.

Energieeinsparungen beginnen mit zwei grundlegenden Strategien: (1) allgemeine Prüfung von Schlüsselsystemen und (2) gezielte Datensammlung, einschließlich Protokollierung des Energieverbrauchs an den Hauptzuführungen der Versorgungskabel und an den Schlüssellasten.

Ermitteln Sie, für welchen Verbrauch ein System ausgelegt ist, bestimmen Sie den aktuellen Verbrauch und identifizieren Sie verschwenderische Praktiken anhand von Betriebsstunden und Betriebsart oder in der Ausrüstung und im System selbst. Um die Einsparziele zu erreichen, muss der Betrieb der Verschwendung Einhalt gebieten. Dies kann durch Änderungen im Betrieb, in der Wartung oder an Gerät und Steuerungen geschehen.

Komponenten der Leistung

Ehe wir erläutern, wie sich der Energieverbrauch nachverfolgen lässt, wollen wir uns erneut ansehen, wie wir die Energie bzw. Leistung definieren und messen können.

Leistung wird in Wirk-, Blind- und Scheinleistung (Abbildung 1) ausgedrückt.

Abb. 1. Leistung wird in Wirk-, Blind- und Scheinleistung ausgedrückt.

Der Energiefluss wird beschrieben durch:

  • Wirkleistung (P) in Watt (W)
  • Blindleistung (Q) in Volt-Ampere reaktiv (VAR)
  • Komplexe Leistung (S) in Volt-Ampere (VA)
  • Scheinleistung, der Betrag der komplexen Leistung (VA)

Die mathematische Beziehung von Wirk-, Blind- und Scheinleistung kann durch Vektoren dargestellt oder mit komplexen Zahlen ausgedrückt werden, S = P + jQ (wobei j die imaginäre Einheit ist).

Die Blindleistung überträgt keine Energie – verrichtet also keine Arbeit – und wird daher als imaginäre Achse des Vektordiagramms dargestellt. Die Wirkleistung überträgt Energie und ist daher die reale Achse.

Die Geschwindigkeit des Energieflusses in einem System hängt von der Last ab – ist es eine ohmsche Last, eine Blindlast oder beides?

Bei einer rein ohmschen Last wechseln Spannung und Strom zur selben Zeit die Polarität. Zu jedem Zeitpunkt ist das Produkt aus Spannung und Strom positiv und nur Wirkleistung wird übertragen: Es wird Arbeit verrichtet.

Bei einer reinen Blindlast sind Spannung und Strom um 90° phasenverschoben und das Produkt aus Spannung und Strom kann positiv oder negativ sein. Dies weist darauf hin, dass ein Teil der Energie an die Last übertragen wird und ein Teil zurückfließt. Die Übertragung von Wirkleistung an die Last ist Null: Es wird keine Arbeit verrichtet.

In der Praxis beinhalten Lasten eine Kombination aus Widerstand, Induktivität und Kapazität, wodurch in einem System Wirk- und Blindleistung generiert werden. Aus diesem Grund sind elektrische Anlagen so konzipiert, dass sie eine bestimmte Menge an Blindleistung tolerieren. Problematisch wird es, wenn zu viel Blindleistung erzeugt wird. Einerseits reicht die Wirkleistung nicht aus, um die benötigte Arbeit zu verrichten, andererseits wird darüber hinaus die Gesamtarbeitskapazität der Anlage beeinträchtigt. Aus diesem Grund bestrafen die Versorger ihre Kunden, wenn ihre Lasten zu viel Blindleistung produzieren: Es ist verschwendete Energie, deren Erzeugung Geld kostet, die aber nicht genutzt werden kann. Auf den meisten Stromrechnungen wird die Blindleistung in VAR angegeben und häufig wird der Leistungsfaktor berechnet. Der Leistungsfaktor ist ein Maß dafür, wie weit die Wirkleistung einer Anlage unter der 100-Prozent-Marke liegt. Die meisten Versorger fordern von ihren Kunden einen Leistungsfaktor von über 0,95.

Den Energieverbrauch nachverfolgen

Mit einem Verständnis der grundlegenden Energiekomponenten kann ein Elektriker Energieprotokollgeräte einrichten, um die Gesamthöhe und die Qualität des Verbrauchs zu messen und anschließend nachzuverfolgen, wann Energie verbraucht wird und wodurch (Abb. 2).

Leistung an Haupt- und Unterverteilungen und großen Lasten 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 Energieeinsparungen können Sie erzielen, wenn Sie auftretende Spitzenlasten ermitteln, Leistungsfaktor und Gesamtenergieverbrauch mit der Stromrechnung vergleichen und Ihre Lasten nach Möglichkeit umverteilen. Bereits wenige Minuten Spitzenlast können dazu führen, dass der Strompreis für mehrere Stunden, Tage oder Wochen ansteigt.

Die Umplanung von Lasten kann einem Unternehmen die Nutzung von Tageszeiten ermöglichen, zu denen die Energie günstiger ist. Prüfen Sie, wie weit Ihr Leistungsfaktor unter „1“ liegt. Sehen Sie auf Ihrer Stromrechnung nach, ob bei einem geringen Leistungsfaktor ein Aufschlag berechnet wird. In diesem Fall kann der Power Logger bei der Nachverfolgung der Quellen behilflich sein. Nehmen Sie Anlagenmodernisierungen vor, und schließen Sie den Logger danach erneut an, um die Vorteile Ihrer Effizienzsteigerungen aufzuzeigen.

Ursachen von Energieverschwendung entdecken

Jedes System und jeder Betrieb stellt eine potenzielle Ursache für Energieverschwendung dar, die verringert oder beseitigt werden kann. Elektrische Untersysteme, Druckluft-, Dampf- und spezifische elektromechanische Systeme sind ein guter Ausgangspunkt, aber jeder Betrieb verfügt über eigene potenzielle Ursachen für Energieverschwendung, die vermessen werden sollten.

Das Ziel besteht darin, den Energieverbrauch von speziellen Geräten und Prozessen aufzuzeichnen, um sich anzusehen, wo Energie verschwendet wird, um Verschwendungen zu quantifizieren und Verbesserungen oder den Austausch von Geräten anhand ihrer Lebensdauer und danach zu priorisieren, welche Änderungen die höchste Rendite bewirken können.

Eine Aufzeichnung des Energieverbrauchs bietet außerdem eine Grundlage für eine Messung der Effektivität von Energiesparprojekten, um die Kosten zu rechtfertigen (Abb. 3).

Häufige Ursachen für Energieverschwendung in elektrischen Untersystemen:

  • Lasten arbeiten oft nach Feierabend weiter oder werden unnötig zu Hochtarifzeiten ausgeführt.
  • Motoren ohne Steuerungen können mehr Leistung produzieren als erforderlich.
  • Überstrom-/Überspannungsbedingungen verursachen einen übermäßigen Energieverbrauch, der ausgeglichen werden muss.
  • Durch Phasenunsymmetrie verbraucht die Last Energie, ohne sie verwenden zu können.

Erkennen und bestimmen:

  • Thermische Untersuchung von elektrischer Verteilung und mechanischer Last auf Überhitzung.
  • Zeitliche Protokollierung des Energieverbrauchs: Wie viel Leistung wird zu welcher Tageszeit aufgenommen, und wie hoch war die Energieverschwendung?

Häufige Ursachen für Verschwendungen und Prüfpunkte in elektromechanischen Systemen.

  • Erhöhte Reibung durch falsche Ausrichtung, Lagerdefekte, Unwucht und Lockerung beanspruchen den Motor zu stark und verbrauchen übermäßige Energie.
  • Nicht gesteuerte Lasten, die nach Feierabend nicht ausgeschaltet werden, laufen auch während Hochtarifzeiten, produzieren mehr Leistung als erforderlich oder leiden an Überspannung/Überstrom und Phasenunsymmetrie.
  • Alternde mechanische Geräte verbrauchen so viel mehr Energie als neue Hochleistungsmodelle, dass ein vorzeitiger Austausch schon aufgrund des reduzierten Energieverbrauchs gerechtfertigt sein könnte.

Erkennen und bestimmen:

  • Führen Sie eine thermische Untersuchung von Steuerungspult und mechanischer Last durch, um eine Überhitzung zu identifizieren, die auf elektrische Ineffizienz hinweist.
  • Protokollieren Sie die Leistung im Zeitverlauf: Überprüfen Sie den kWh-Gesamtverbrauch sowie Leistungsfaktor, Spitzenbedarf, Unsymmetrie und Oberschwingungen.
  • Schwingungspegel im Vergleich zu Normen und Spezifikationen prüfen und Lösungen durch Instandhaltung finden, beispielsweise erneute Auswuchtung.
  • Untersuchen Sie mit einer Wärmebildkamera Kupplungen/Welle/Riemen, Lager und Lüfter.
  • Überprüfen Sie die Strom- und Spannungspegel.
  • Untersuchen Sie mit einer Wärmebildkamera Verteiler und Anschlusskästen sowie Wicklungen und führen Sie eine Isolationswiderstandsmessung durch.

Häufige Ursachen für Verschwendungen und Prüfpunkte in Druckluftsystemen.

  • Übermäßige Undichtigkeiten in Druckluftleitungen führen zu überhöhten Betriebsbedingungen, um die Versorgung aufrechtzuerhalten.
  • Kompressoren, die außerhalb der Nutzungszeit angelassen werden, verschwenden Energie.

Erkennen und bestimmen:

  • Protokollieren Sie die Leistungsaufnahme des Kompressors.
  • Bestimmen Sie den Druckverlust durch Messen des Drucks an Kompressor und Verwendungsstelle.
  • Ermitteln Sie Undichtigkeiten der Anschlüsse und Leitungen mit einem Ultraschall-Leckdetektor.

Häufige Ursachen für Verschwendungen und Prüfpunkte in Dampfsystemen:

  • Ausgefallene Kondensatableiter und unzureichende Isolierung verschwenden Dampf und verursachen eine erhöhte Leistungsaufnahme, um den erforderlichen Dampfdruck aufrechtzuerhalten.

Erkennen und bestimmen:

  • Protokollieren Sie die Leistungsaufnahme am Boiler.
  • Führen Sie eine Untersuchung der Rohre und Kondensatableiter mit einer Wärmebildkamera durch, um Isolierungslücken und Blockierungen ausfindig zu machen

Prüfen Sie die Rendite

Wie können wir angesichts des zuvor erwähnten Industriestandards herausfinden, welche Systeme die höchste potenzielle Energierendite beinhalten? Unser bestes Material sind derzeit Fallbeispiele für häufige Situationen. Hier einige Beispiele für häufige Industriesysteme.

Elektromechanische Inspektion

Anlagentyp: Stahlaufbereitungsanlage in Deutschland
Gerätetyp: gurtgetriebener Lüfter, für Prozesskühlung
Vorgenommene Messungen: Vibrationstests
Festgestellte Probleme: eine moderate Unsymmetrie sowie Fehlausrichtung und Lagerverschleiß.
Einsparungen: Umverteilung erforderlich. Ein 350-kW-Motor lief mit 80 Prozent Nennleistung, die gemessene Leistung lag bei etwa 280 kW. Durch die Umverteilung wurde die Leistungsaufnahme um 3 Prozent reduziert. Bei einem Preis von 0,11 Euro/kWh lagen die jährlichen Einsparungen bei 8,094 Euro.

Untersuchung des Druckluftsystems

Betriebsart: Fertigung
Gerätetyp: Druckluftsystem
Vorgenommene Messungen: Ultraschalluntersuchung des Druckluftsystems (vollständige Protokollierung der Kompressordaten empfohlen)
Festgestellte Probleme: das Verhältnis der produzierten Druckluft im Vergleich zum tatsächlichen Bedarf.
Einsparungen: Mehrere Sparmöglichkeiten gefunden. Jährliche Gesamtersparnis von 50,600 $. Abschalten des Kompressors am Wochenende: jährliche Einsparungen in Höhe von 32.700 $ Montage von Magnetventilen zum Abschalten der Luftzufuhr bei Maschinenstillstand: jährliche Einsparungen in Höhe von 7.100 $ Instandsetzung von 36 Leckstellen: jährliche Einsparungen in Höhe von 4.800 $. Filter im System installiert für einmalige Kosten von 6.000 $; jährliche Einsparungen durch diese Maßnahme: 6.000 $.

Untersuchung des Kondensatabscheiders

Betriebsart: Fertigung
Art der Ausrüstung: Heizkessel und Dampfleitungen
Vorgenommene Messungen: thermische Untersuchung der Dampfleitung
Festgestellte Probleme: Sechs Kondensatabscheider funktionieren nicht ordnungsgemäß; Leckstellen an den Registern in den Beschichtungstanks; Dampfleckstellen an den Leitungen; Möglichkeit, Kondenswasser zurückzugewinnen
Einsparungen: Austausch von sechs fehlerhaften Kondensatabscheidern zu je 500 $. Erzielte Einsparungen: 3.200 $ je Kondensatabscheider, unter Berücksichtigung der bekannten Kosten für die Dampferzeugung und für den Wärmeverlust. Gesamtersparnis: 16.200 $.
Nächster Schritt: Protokollierung der aufgenommenen Energie an der Spannungsversorgung des Dampferzeugers, vor und nach dem Beheben von Leckstellen und Kondenswasserproblemen.

Erhöhte Produktivität oder reduzierte Gemeinkosten?

Die nächste Frage ist eine schöne Frage: Wenn Sie einen Weg zur Reduzierung des Energieverbrauchs gefunden haben, nutzen Sie diese Einsparungen dann zur Aufstockung der Anlagenkapazität (mehr Volumen bei gleichem Verbrauch in kWh) oder für andere Unternehmensstrategien (Gewinnmargen, Preisrealisierung)?

Die Reduzierung des Energieverbrauchs ist in jedem Fall ein gutes Geschäft. Durch die Aufzeichnung der Netzeigenschaften von jedem einzelnen großen System und den Abgleich dieser Kosten mit der Stromrechnung, um zu quantifizieren, wo und wann Energie verbraucht wird, können die Unternehmen häufig durch einfache Veränderungen im Betrieb und in den Zeitplänen Ersparnisse realisieren. Durch die Identifizierung ineffizienter oder veralteter Geräte können die Unternehmen Austauschmaßnahmen rechtfertigen und priorisieren. Und durch eine Reduzierung des Gesamtenergieverbrauchs senken die Unternehmen ihre Betriebskosten und verbessern so ihre Wettbewerbsfähigkeit am Markt.

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