Umweltmanagement; Energie

PAufnahme = U * I * cos phi

PAufnahme = U * I * cos phi * 3^(1/2)

die Abgabeleistung für den Mechaniker!
und die Anschluss-Spannung & Stromaufnahme für den Elektriker

η = PAbgabe / PAufnahme

Mit Frequenzumrichtern lässt sich der Teillastbetrieb von Motoren wesentlich
effizienter regeln
Vergleich verschiedener Ventilatoren-Regelungen als Beispiel:
a) ohne Frequenzumrichter wird der Volumenstrom über eine Drossel und
Bypass-Leitung im Kreis geführt. Der Teilvolumenstrom durch den Bypass
verursacht Verluste.
b) mit Frequenzumrichter kann die Gebläseleistung reduziert werden und das
Gebläse fördert nur den benötigten Volumenstrom, Verluste werden minimiert.

Richtige Dimensionierung von Motoren,
Überdimensionierung vermeiden
Einsatz von effizienten Motoren
(insbesondere bei kleinen Leistungen)
Teillastbetrieb vermeiden, kein Motorbetrieb im Leerlauf
Drehzahlregelung für Motoren mit stark schwankenden Lasten
(z.B. Pumpen, Ventilatoren, Kompressoren)
Drehzahlregelung mit Energierückspeisung bei Antrieben für Maschinen
mit häufigen Bremsvorgängen (z.B. Aufzüge, Fördereinrichtung)
Wartungsintervalle einhalten
Installation einer Blindleistungskompensation

Aktueller Energieverbrauch und Entwicklung der letzten Jahre
Möglichst detaillierte Energieflüsse von der Quelle zur Senke
(Sankey-Diagramm des Energieflusses im Betrieb)
Identifikation der grössten Energieverbraucher (A) nach
Energieträgern/-nutzenergie
(z.B. Gas, Öl, Elektrizität bzw. Wärme, Dampf, Kälte, Antrieb)
Kenntnis der installierten Datenerfassungssysteme
Erste Einschätzung von Einsparpotenzialen (Bereiche für eine
Feinanalyse)

Eine ABC-Analyse dient dem Auffinden der Hauptenergieverbraucher
Schritte für ABC-Analyse:
Zusammenstellung des Energieverbrauchs aller Maschinen
Sortieren nach Energieverbrauch
Kumulieren des Energieverbrauchs
Erkenntnis:
Häufig sind wenige Maschinen für einen hohen Anteil des
Gesamtenergieverbrauchs verantwortlich (sog. A- und B- Verbraucher)
Hier lohnen sich ggf. Feinanalysen (Anlagen-/Maschinenbilanzen)

Energieverbrauch eines Systems kann mit
der folgenden Formel abgeschätzt werden:
Energie = (Nenn-)leistung x Vollbetriebsstunden
Nennleistung von Anlagentypenschildern
(Dokumentation vom Betriebsrundgang!)

Kategorie A:
14 Maschinen
verbrauchen
über 50% der Endenergie
Kategorie B:
27 weitere Maschinen
weitere 25% der Energie
Kategorie C:
alle anderen Maschinen
die verbleibenden 25%

In der Schweiz verbrauchten im
Jahr
2000 150’000 Druckluftanlagen 750
GWh Energie (1.5 %)
Anteil der Elektrizität für Druckluftanwendungen
bis 25%
monetäre Einsparpotenziale
zwischen 5% - 50%
theoretisches Potenzial Schweiz
300 GWh, praktisch 100 GWh
25% - 60% der erzeugten Druckluft
gehen über Lecks verloren

Automatisierung durch Pneumatik
          Pneumatische Steuerungen
                (z.Bsp. Ventile)
           Montagewerkzeuge
                 (z.Bsp. Bohrmaschinen)
Prozessluft
             Belüftung von Gär- und Fermentationsprozessen
              Luftzufuhr als Verbrennungsluft, z.B. Gasturbinen
               Sandstrahlen
Reinigung von Filtern
Transport
          Transport in Maschinen,
               z.B. Transport von Fäden in Webstühlen
           Rohrpost

Drucklufterzeugung & -verteilung
ist sehr ineffizient
Nur max. 10% der eingesetzten
Energie stehen als Druckluft zur
Verfügung
Wichtigste Mittel zur Einsparung:
Vermeidung des Einsatzes von
Druckluft

Aufbau einer Drucklufterzeugung
       Lufteintritt
        Kompressor
        Aufbereitung

Aufbau einer Aufbereitung
         Flüssigkeitsabscheidung
         Trocknung
        Filtration

Energieverbrauch für die Drucklufterzeugung hängt ab von:
Lufttemperatur am Eintritt (Dichte)
Druckniveau (Verdichtungsenddruck)
Elektrischer und mechanischer
Wirkungsgrad des Verdichters
Zwischenkühlung des Kompressionsprozesses
Mehrstufige Kompressoren mit
Zwischenkühler sind besser
Verdichterregelung (Drehzahlregelung)

......

Energieverbrauch für Verteilung hängt ab von

Geschwindigkeit (Reibung)
Durchmesser der Leitungen
Korrekte Dimensionierung
(v < 6 m/s)
Leckagen im Verteilnetz

• Leckage-Analyse
Möglichst in Zeiten ohne Betrieb
Kompressorlaufzeiten geben
Auskunft über Druckabfall

Möglichst Alternativen für Druckluftanwendung finden
Druckreduzierventile möglichst vermeiden
machbar, wenn nur wenige Verbraucher tieferes Druckniveau
benötigen
Leckagen am Verbraucher vermeiden
Tiefstmögliches Druckniveau verwenden

Auslegung tiefstmögliches Druckniveau, ggf. Hoch- /Niederdruck-
Verteilnetz
Drehzahlgeregelte Verdichter, Leerlauf vermeiden, Einbau eines
Pufferspeichers (Windkessel) prüfen (weniger Teillast des Kompressors)
Ansaugung der Luft bei möglichst kalter Temperatur (hohe Dichte)
Rückgewinnung der Wärmeverluste des Verdichters, z.B. für Warmwasser
Betrieb des Systems mit Adsorptionstrockner ohne Kälteerzeugung benötigt
Anlagen bei Nichtgebrauch abschalten (Nachts, Wochenende!)

Dimensionierung des Verteilnetzes (vmax = 6 m/s) begrenzt Druckverlust
Vermeidung von Leckagen im Verteilnetz durch periodische Wartung

Ersatz von Druckluftverbrauchern, Vermeiden von Reduzierventile

Energie ist eine Mengengrösse
Energie = Leistung · Zeitdauer der Leistungserbringung:
Repetition: Energie (Arbeit)
IEBau 19.03.2014 4
Kleine Leistung
Viel Zeit

Hohe Leistung
Wenig Zeit

Gleicher
Energieeinsatz!
E = P · t

SI-Einheit der Energie: Joule J [ʤuːl]
«Kilojoule» 1 kJ = 1’000 J
«Megajoule» 1 MJ = 1’000’000 J
…
Gebräuchlich im Energiesektor: «Wattstunden» Wh
«Kilowattstunden» 1 kWh = 1’000 Wh
«Megawattstunden» 1 MWh = 1’000’000 Wh
…
Umrechnung: 1 kWh = 1000W·3600s = 3600000 J = 3.6 MJ
Beispiele: 50 MJ = ………. kWh
0,4 kWh = ………. kJ

Standby unter einen Watt. (0,3/0,5)

Regler 5-50 Watt

Heizleistung ein Familien Haus: 1000 Watt
Ungekämmt 15 kW

Elektroauto 10 kW

Kraftwerke 200 MW-1 GW
 

Beispiel Solarenergie: 8 h Sonnenschein, durchschnittliche Strahlungsleistung
ca. 500 W (je Quadratmeter)
Energieertrag pro Tag:E=P*t=500W*8h=4000Wh=4kWh
(je Quadratmeter)
Beispiel Akku: 85 Wh Energieinhalt, 20 W Verbraucherleistung
Entladedauer:
t=E/P    85Wh/20W=4,25 h
 

Primärenergie:

Endenergie:

Nutzenergie:

Energieform, wie sie in der Natur vorkommt (Erdöl, Uranerz,
Windenergie, Solarstrahlung, …)

Mehr politische Entscheide

Energieform, wie sie «gebrauchsfertig» geliefert wird (Heizöl,
Elektrizität,…)

Energieform, die direkt genutzt werden kann (Wärme, Licht…
auch als Energiedienstleistung bezeichnet)

Jede Umwandlung ist mit Verlusten behaftet!

Betrachtet werden Energieumwandlungen, z.Bsp. in einem Elektromotor
Welche Energieformen werden in welche umgewandelt?
     Eingang: Quelle (z.Bsp. Strom)
      Ausgang: Senke (z.Bsp. mechanische Arbeit)
Welche Anteile an welchen Energieformen sind vorhanden?
«Egoistische» Betrachtungsweise einzig auf «nutzbare» Energieformen
      Bei einer Glühlampe ist «Licht» der Nutzen
      Die Glühlampe kann auch als Heizung betrieben werden, dann ist die abgegebene
          «Wärme» der Nutzen
       Aufwand wird oft rein ökonomisch wahrgenommen (Bsp.: Sonnenenergie wird oft als
           «Gewinn» betrachtet)
Wirkungsgrad bezieht sich auf Leistungen («Momentanwerte»)

Die Glühbirne: Leistungen

Die Glühbirne als Heizung:n=57W/60W=0.95=95%
Die Glühbirne als Leuchtmittel:n=3W/60W=0.05=5%

 

Die Glühbirne: Leistungen

Die Glühbirne als Heizung:n=57W/60W=0.95=95%
Die Glühbirne als Leuchtmittel:n=3W/60W=0.05=5%

 

«Von alleine» fliesst Wärme(-energie) nur «von heiss nach kalt»
Der umgekehrte Vorgang läuft nicht «von alleine» ab
Eine Wärmepumpe kann mit Energieaufwand Wärme(-energie) «von kalt nach
heiss pumpen»

«Gratisenergie» aus der Umwelt wird nicht als Aufwand gerechnet
Wärmepumpen können diese Energie «nutzbar machen»
Bezeichnung dann aber als «Leistungsziffer» ε > 1 statt Wirkungsgrad η<1

....

Der Wirkungsgrad ist von einem momentanen Betriebszustand abhängig
Der Wirkungsgrad kann permanent ändern
Nutzungsgrad: Analog «Wirkungsgrad», aber bezogen auf die Energie über
einen bestimmten Zeitraum

Welche Anlagen(-teile) sollen erfasst werden?
Möglichkeiten (beispielhaft):
       Einzelne Komponente einer Maschine (z.Bsp. Elektromotor)
      Gesamte Maschine (inklusive Regelelektronik,…)
      Gesamter Prozess (inkl. Förderbänder, Verpackung Endprodukt, …)
       Gesamter Betrieb (inkl. Beleuchtung, Verwaltung, ….)
…..
Klar festlegen und benennen, was betrachtet werden soll!

Andere Bilanzgrenzen führen zu anderen Ergebnissen:  ntier<nhof
Aufpassen, «wovon» die Rede ist!

Kältemaschinen erzeugen immer auch (Ab-)Wärme
Stromproduktion in einem thermischen Kraftwerk erzeugt immer (Ab-)Wärme
(Ab-)Wärme lässt sich evtl. in der Nachbarschaft nutzen (Heizung und Warmwasser)

Festnetz-Telefonzentrale «Swisscom» muss ganzjährig gekühlt werden
(Elektronik)
Die Kälteanlage ist bedarfsgerecht(!) ausgelegt
Ein Teil ihrer Abwärme wird vor allem im Winter im Gebäude selbst genutzt
(Heizung, Warmwasser), ein grosser Teil muss aber an die Umgebung
abgegeben werden
Haustechnik der Nachbarsiedlung «Tiergarten» muss erneuert werden
Neubausiedlung «Talwiesen» in Nachbarschaft
EWZ als bringt als Contractor alle Akteure zusammen