Energieeffizienz: kein Kinderspiel
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Energieeffizienz ist von entscheidender Bedeutung für wirtschaftlichen Erfolg. Wenn es gelingt, die Produktion energieeffizient zu gestalten, können zugleich Klimaschutzziele erreicht und wertvolle Ressourcen geschont werden. Investitionen in Energieeffizienz rechnen sich wegen des gesetzlichen Rahmens auch ökonomisch. Auf dem Weg zu höherer Effizienz bringt ABB seine Kompetenzen bei Vernetzung, Flexibilität und Innovationskraft für die Produktion der Zukunft ein.
Es klingt so einfach, fast kinderleicht: „Die umweltfreundlichste und günstigste Kilowattstunde ist die, die wir gar nicht erst verbrauchen. Und je bewusster und effizienter wir mit Strom und Wärme umgehen, desto weniger müssen wir erzeugen. Das spart Geld, erhöht gleichzeitig die Versorgungssicherheit und trägt dazu bei, dass wir unsere Klimaziele erreichen.“ Mit diesen Worten führt das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) den Nationalen Aktionsplan Energieeffizienz (NAPE) ein, den das Bundeskabinett am 3. Dezember 2014 beschlossen hat. In der Realität ist die Steigerung der Energieeffizienz nicht ganz so einfach, wie es in diesen Leitworten klingt. Energieeffizienz schützt das Klima und die Ressourcen für kommende Generationen, aber sie ist kein Kinderspiel.
Die Energiewende, zu deren zweitem Standbein – neben den erneuerbaren Energien – das BMWi die Energieeffizienz erklärt, ist ein politisch wie technisch extrem komplexes Feld. Das konkrete Ziel lautet, den Primärenergieverbrauch (PEV) in Deutschland bis zum Jahr 2020 gegenüber 2008 um 20 % zu senken und bis 2050 zu halbieren. Zwar bewegt sich der PEV in Deutschland tatsächlich leicht nach unten; schriebe man aber den aktuellen Trend fort, würden bis zum Jahr 2020 nur zehn Prozent Reduktion erreicht.
Ressourcen schonen, Klima schützen
Grundsätzlich zielt die Klimaschutzpolitik in Deutschland und Europa auf die Einhaltung des im Kyoto-Protokoll vereinbarten Zwei-Grad-Ziels für die globale Erwärmung im Vergleich zur vorindustriellen Zeit Mitte des 18. Jahrhunderts. „Seit der Vereinbarung von Kyoto im Jahr 1997 ist vergleichsweise wenig geschehen, aber die Politik hat den akuten Handlungsbedarf erkannt“, sagt Thomas Benz, Leiter Energiepolitik von ABB Deutschland. Für den Nachfolgegipfel in Paris im Dezember 2015 zeichnet sich ab, dass beispielsweise auch China und die USA – angeschoben von lokalen Thementreibern in diesen Ländern, die dem CO2-Ausstoß und der Umweltverschmutzung Einhalt gebieten möchten – eine Vereinbarung mittragen würden. „Die Bedeutung und die Chancen eines schonenden und effizienten Umgangs mit Ressourcen werden weltweit immer stärker wahrgenommen“, sagt Thomas Benz. „Dazu trägt bei, dass die systematische Ressourcenschonung zwei wesentliche Herausforderungen zugleich bewältigt: Sie sorgt einerseits dafür, dass Ressourcen länger zur Verfügung stehen, und sie verringert andererseits schädliche Klimafolgen.“
Vor diesem Hintergrund will die Bundesregierung mit dem NAPE alle gesellschaftlichen Akteure motivieren, Energie sparsamer zu nutzen. Unternehmen und Kommunen, Bürgerinnen und Bürger sollen ihre konkreten Einsparpotenziale kennenlernen. Über neuartige Mittel wie ein wettbewerbliches Ausschreibungsmodell will der NAPE Energieeffizienz als Rendite- und Geschäftsmodell etablieren. Zudem fordert der NAPE von großen Unternehmen Energieaudits und die Einhaltung von Standards für Neuanlagen und Neubauten.
Flexibilisierung durch Industrie 4.0
Konkrete Lösungen in der Industrie müssen so gestaltet sein, dass Unternehmen die Stromspareffekte ohne Einbußen bei Produkt und Leistung erreichen. „Die Industrie kalkuliert genau. Alles, was sich in weniger als drei Jahren abschreiben lässt, wird gemacht“, sagt Thomas Benz. Für Abschreibungen in so relativ kurzer Zeit kommen nur wenige Einzeltechnologien infrage, beispielsweise der Einsatz von energieeffizienten Motoren und die Steuerung über Frequenzumrichter.
Ein weiteres Potenzial für die Steigerung der Energieeffizienz liegt im industriellen Umfeld in stärkerer Flexibilisierung. „Industrie 4.0 oder die Einführung des Internets der Dinge wird der Produktion noch mehr Flexibilität verschaffen“, sagt Thomas Benz. „Eine Vision, ein Fernziel, könnte eine ‚smarte‘ Vernetzung sein, bei der die Last der Erzeugung ‚smooth‘ hinterherfährt – also umgekehrt zum noch vorherrschenden Modell, nach dem die Erzeugung dem Profil der prognostizierten Last und damit dem Verbrauch folgt.“ Umsetzbar wird dies, wenn möglichst viele flexible Bausteine zu einem hochflexiblen Gesamtsystem zusammengesetzt werden. Neben individualisierten Produkten – auch für Verbraucher – wird den individualisierten Prozessen der Industrie 4.0 dabei eine wesentliche Rolle zukommen. Die flexibilisierte Produktion erreicht dabei nicht nur die legendäre „Losgröße 1“, sondern macht zugleich den Verbraucheffizienter und hebt weitere Potenziale.
Während Industrie 4.0 gelegentlich noch Zukunftsmusik sein mag, müssen Unternehmen mit ihren Entwicklungen und Produkten immer am Puls der Zeit sein, um Effizienzwünsche möglichst früh und vollständig zu erfüllen. „Energieeffizienz ist heute nicht nur in Deutschland und in der Schweiz ein zentrales Thema, sondern auch in vielen anderen Ländern, auch außerhalb Europas“, sagt Gabriele Gabrielli, Präsident der Electrosuisse. „Kunden aus diesen Ländern erwarten implizit, dass Produkte aus Deutschland und aus der Schweiz die höchsten Energiestandards erfüllen. Ich sehe in den Heim- und Exportmärkten kaum Chancen für Produkte, die nicht als besonders energieeffizient gelten.“ Auf dem Weg zu energieeffizienteren Produkten unterstützen Verbände wie Electrosuisse ihre Mitglieder und auch andere Organisatoren auf verschiedene Weise. Wichtig sind Informationen zu gesetzlichen Anforderungen und die Deklaration ihrer Einhaltung. Obwohl neue Produkte heute weitaus energieeffizienter als ältere sind, macht Gabrielli eine differenzierte Gesamtrechnung auf: „Weil die Lebensdauer heute leider meistens kürzer und die Reparaturfähigkeit eingeschränkt ist, bleibt unter dem Strich ein weniger positiver Gesamtenergiebedarf. In Zukunft muss der grauen Energie und der Lebensdauer mehr Gewicht gegeben werden.“ Dabei steht eine lange Lebensdauer heute im Konflikt mit der rasanten Entwicklung in der Elektronik und in den Kommunikationstechnologien. „Diejenigen Unternehmen werden erfolgreich sein, die einen guten Kompromiss zwischen der Robustheit und der Kommunikationsfähigkeit der Geräte finden“, sagt Gabrielli.
„Ein Fernziel könnte sein, dass die Last der Erzeugung ‚smooth‘ hinterherfährt –also umgekehrt zum noch vorherrschenden Modell.“
Motoren haben Schlüsselfunktion
ABB ist mit einem Portfolio aus zukunftsfähigen Produkten und Leistungen auf dem Feld der Energieeffizienz führend aktiv. Ein besonders wichtiger Sektor sind energieeffiziente Antriebe, denn Elektromotoren sind für 70 % des industriellen Energieverbrauchs verantwortlich. Ein Musterbeispiel für Antriebseffizienz sind Synchronreluktanzmotoren. ABB hat aus dem altbekannten Reluktanzmotor ein Antriebspaket mit sehr hoher Energieeffizienz geformt. Der ABB-Synchronreluktanzmotor besitzt einen neuartigen Rotor ohne Magnete oder Wicklungen. Rotorbedingte Leistungsverluste – sonst für 40 % der Energieverluste verantwortlich – gibt es dadurch fast keine mehr. Inzwischen bietet ABB IE4-Synchronreluktanzmotoren mit direktem Netzanschluss an. Ausgehend von der derzeit höchsten Wirkungsgradklasse IE4 hat ABB mit dem jüngsten Motorenkonzept SynRM2 die Verluste um weitere 20 % reduziert und damit den künftigen Wirkungsgrad IE5 erreicht.
Die im Januar 2015 in Kraft getretene EU-Richtlinie 640/2009 verlangt, dass neu in Verkehr gebrachte Motoren mit Nennausgangsleistungen von 7,5 bis 375 kW mindestens der Energieeffizienzklasse IE3 entsprechen müssen. Alternativ müssen Motoren der Klasse IE2 mit Frequenzumrichtern geregelt werden. Von 2017 an wird die Regelung verschärft und auf Motoren ab 0,75 kW ausgedehnt werden.
Der höhere Wirkungsgrad wird bei IE3-Motoren unter anderem durch eine höhere Kupfermasse des Stators, dünnere Siliziumbleche im Kern und verbesserte Kühlung erreicht. Die Modifikationen bedingen eine höhere Induktivität. „Die Folge ist, dass Einschalt- und Anlaufströme bei IE3-Motoren um über 20 % höher als bei konventionellen Modellen sind“, sagt Udo Reichertz, Leiter Produktmarketing Niederspannungsprodukte bei ABB Stotz-Kontakt. „Entsprechend müssen vor allem Motorschutzschalter und hier insbesondere deren Kurzschlussauslöser den neuen Bedingungen gewachsen sein.“ In der Praxis bedeutet das, dass die magnetische Auslösung auf höhere Werte angepasst wurde.
„Die Schaltgeräte, die alle Anforderungen für den zuverlässigen Betrieb von IE3-Motoren erfüllen, sind bei ABB bereits seit Mitte 2014 verfügbar“, sagt Udo Reichertz. „Die neuen Motorschutzschalter sind zugleich auch für ältere Motoren tauglich. Wer sie heute in Erwägung zieht, ist für den zukünftigen Einsatz von IE3-Motoren bereits gewappnet.“ Koordinationstabellen nach IEC/EN 60947-4-1 zu Starterkombinationen für Direktstart, Stern-Dreieck-Anlauf und Softstart von IE2- und IE3-Motoren sind auf der ABBWebsite verfügbar.
Hybridantrieb für „EcoTrain“
Mehr Energieeffizienz im Bahnverkehr ist das Ziel des Projektes „EcoTrain“ der Erzgebirgsbahn, in das ABB seine Kompetenzen für sparsame Antriebskonzepte einbringt. Das Unternehmen der DB RegioNetz Verkehrs GmbH will zunächst einen ihrer 16 Dieseltriebwagen der Baureihe 642 auf Hybridantrieb umrüsten, später die ganze Flotte. Die Erzgebirgsbahn fährt auf einer der anspruchsvollsten Strecken Deutschlands bis in fast 1.000 m Höhe mit starken Steigungen und Gefällen. Im dieselelektrischen, seriellen Hybridbetrieb treibt ein Dieselmotor einen Generator an, der Strom für die Antriebsmotoren liefert. Die Traktionsleistung wird elektrisch erbracht. Eine Batterie arbeitet als Energiespeicher und kann – etwa beim Bremsen – überschüssige Energie aufnehmen und bei Bedarf als zusätzliche Leistung bereitstellen. Zusammen mit der Prognose der noch benötigten Leistung bietet die Batterie zudem die Möglichkeit, bis zum Endbahnhof rein elektrisch weiterzufahren und dort aus dem Netz nachzuladen. So kann sogar Strom aus erneuerbaren Quellen zum Einsatz kommen. Für den dieselelektrischen Antrieb und die Bordnetzversorgung zeichnet ABB verantwortlich. Das Konzept zur Hybridisierung umfasst für den eigentlichen Antrieb ein Hybrid-Antriebspaket mit Dieselmotor und Permanentmagnet-Generator, zwei elektrische Fahrmotoren sowie den Diesel-Hybrid-Controller (DHC). Hinzu kommen zwei Kompaktstromrichter des Typs CC400 inklusive der notwendigen Peripherie, ein Ladetransformator und eine Traktionsbatterie. Der DHC wird die Verbraucher an Bord im Zusammenspiel mit einem vorausschauenden, fahrplan- und streckenabhängigen Energiemanagementsystem bedarfsgerecht regeln. Bei einem optimalen Zusammenwirken aller Maßnahmen sehen die Projektverantwortlichen der DB Regio-Netze ein Sparpotenzial von über 30 % der bisher benötigten Dieselmenge.
Spezifische Energie auf einen Blick
In der Prozessautomation ist die Steigerung der Energieeffizienz mit zwei Aspekten verknüpft: dem Monitoring und der optimierten Prozessführung. Mit beiden Ansätzen lassen sich der Wirkungs- und Nutzungsgrad von Prozessanlagen erhöhen, der spezifische Energieverbrauch reduzieren und die Energiekosten verringern. „Durch Transparenz beim aktuellen Energiebedarf können Potenziale zur Einsparung erkannt und die Mitarbeiter sensibilisiert werden“, sagt Thomas Fox von der ABB Automation GmbH. „Positiv fällt ins Gewicht, dass die höhere Energieeffizienz nicht nur durch die Kostenoptimierung, sondern auch durch ein umweltgerechteres Image die Wettbewerbsfähigkeit des Unternehmens steigert.“ Mit dem Energy Monitor hat ABB eine Software-Systemlösung insbesondere für den industriellen Einsatz in Branchen mit hohem Energie- und Medieneinsatz entwickelt. Sie ist für Großunternehmen interessant, die sich nach DIN EN ISO 50001 zertifizieren möchten, um eine geringere EEGUmlage entrichten zu können. KMU können profitieren, weil ihre Erstzertifizierung nach einer Richtlinie der Bundesregierung noch bis zum 31. Dezember 2016 mit bis zu 80 % der zuwendungsfähigen Ausgaben gefördert.
Der Energy Monitor ist als modular erweiterbares Energiemanagement konzipiert. Durch Standardschnittstellen und eine flexible Engineering-Umgebung lässt sich das System einfach in eine bestehende Infrastruktur und die ABB Leitsysteme integrieren.
„Die Programme zeigen mittels grafischer Darstellungen – sogenannter Dashboards – vielfältige Informationen zu den eingesetzten und verbrauchten Betriebsmitteln wie Strom, Gas, Dampf und Wasser“, sagt Fox. „Richtig spannend ist es für viele Unternehmen, die spezifischen Werte für den Energieeinsatz pro produzierter Stückzahl zu visualisieren.“ Die Darstellung von geschäftsrelevanten Key Performance Indicators (KPI) oder Energy Performance Indicators (EnPI), beispielsweise aufgewendete Energie pro Produktionseinheit, führt zu einem tiefgehenden Einblick und erlaubt Benchmarking. Über die Dashboards lässt sich die in der DIN EN ISO 50001 geforderte energetische Ausgangsbasis festlegen und kontinuierlich in Echtzeit überwachen.
