In der Industrie und in Gebäuden werden von der eingesetzten Primärenergie derzeit nur rund 20 Prozent für den eigentlichen Verwendungszweck genutzt. Der Löwenanteil geht verloren. Entscheidend für eine spürbar höhere Energieeffizienz ist deshalb nicht nur das rein punktuelle Betrachten möglicher Verbesserungen, sondern auch ein systematisches Engineering. Dabei spielt ein umfassendes Branchenwissen die ausschlaggebende Rolle. Denn Automationssysteme und Produktionsprozesse müssen sich in idealer Weise ergänzen. Zulieferer, Maschinenbauer und Anwender sind somit gleichermaßen angesprochen, industrielle Gesamtprozesse auf die „grüne Linie“ zu bringen und dabei gemeinsam optimale Lösungen zu erarbeiten. Siemens hat sein Leistungsspektrum auf die neuen Anforderungen ausgerichtet. Totally Integrated Automation (TIA), die offene Systemarchitektur für ganzheitliche Automatisierungslösungen, bildet den entscheidenden Rahmen.Einerseits sind es die energieoptimierten Einzelkomponenten wie Schalt-, Schutz- und Überwachungsgeräte sowie Sanftstarter, Frequenzumrichter, Motoren und viele andere Systeme, durch deren Einsatz sich sofort punktuell Energie einsparen lässt. Andererseits bietet ein Energiemanagement die Chance zu weiteren Reduzierungen. In vielen Industriebetrieben etablieren sich derzeit solche Energiedatenmanagementsystem (EDMS). Damit können die Energiearten Strom, Gas, Dampf, Druckluft, Wärme und Kälte sehr genau beobachtet und optimal an den Bedarf angepasst werden. Wichtig ist hierfür das transparente Erfassen, Verarbeiten und Darstellen des Energieeinsatzes je Einzelverbraucher. Möglich wird das durch entsprechende Multifunktionsmessgeräte und durch moderne Schalt- und Steuergeräte sowie Antriebstechnik mit integrierten Messwerterfassungssystemen. Anbieter fördern den Trend zu erhöhter Funktionsintegration, sodass viele Geräte heute bereits die wichtigsten Messgrößen wie Strom, Leistung, Wirkungsgrad als Zusatzinformation wirtschaftlich liefern können.
Datennetzwerk nimmt Schlüsselrolle ein
EDMS erhalten aus der Automatisierungs- und Leitebene die aktuellen Messwerte, um damit eine optimale Ressourcenausnutzung zu erreichen. Die Datenübermittlung von der Feldebene in die Managementebene erfolgt über standardisierte Netzwerke und Protokolle wie AS-Interface, IO-Link, Profibus oder Profinet - auch mit dem Profil Profienergy. Vernetzung und Kommunikation spielen deshalb eine Schlüsselrolle beim Aufbau energieeffizienter Gesamtsysteme. Selbst ein Lastmanagement in komplexen Produktionsabläufen wird dadurch überschaubar und einfach zu handhaben. Dieses überwacht automatisch die mit dem Energieversorger vereinbarten Bezugs- und Leistungslimits. Dies gelingt so präzise, dass wichtige Prozesse dadurch nicht beeinträchtigt werden. Ergebnis: Verbrauchsspitzen werden geglättet und dauerhaft in engen Toleranzen gehalten. Das reduziert das Bezugsniveau und somit auch die Energiekosten.
Durchgängiges Engineering als Energiesparsäule
Neben energieoptimierten Einzelkomponenten und automatisiert arbeitenden Energiedatenmanagementsystemen gibt es eine dritte entscheidende Säule zur möglichst effizienten Nutzung von Ressourcen: das optimale Engineering. Grundsätzlich sollten bei der Geräte- und Systemauswahl die Gesamtkosten der entstehenden Lösung betrachtet werden. Entsprechend aussagekräftig sind dabei die Total Cost of Ownership (TCO), welche die Investitionskosten, Ge- und Verbrauchskosten sowie Wartungs- und Reparaturkosten über den gesamten Lebenszyklus einer Anlage einschließen. Insofern kommt der Gesamtkonstruktion in Verbindung mit der Auswahl der richtigen Komponenten wachsende Bedeutung zu. Das gilt in hohem Maß für die Auslegung der Antriebstechnik. Auch die Prozesstechnik profitiert häufig davon, altbekannte und über Jahrzehnte bewährte Systemlösungen grundsätzlich zu überdenken und auf den Prüfstand zu stellen. Ein Beispiel: Energieeffiziente IE2-, IE3- oder IE4-Motoren, wie sie teilweise bereits in den Normen gefordert werden, schaffen die Grundlage für enorme Energieeinsparungen bei Dauerläufern. Diese werden entweder über energieoptimierte Schütze direkt gestartet, per Stern-Dreieck-Anlauf oder mit Hilfe von Sanftstartern über Rampenfunktionen betrieben. Auch hier lässt sich viel Energie sparen, wie die Sanftstarter von Siemens belegen, die nach dem Hochlaufen auf einen Bypass umschalten und dadurch die Halbleiterverluste vermeiden.
Den gesamten Prozess auf den Prüfstand stellen
Untersuchungen haben gezeigt, dass heute im Durchschnitt aller Industriezweige etwa doppelt so häufig Konstantdrehzahl-Antriebe an Schaltgeräten betrieben werden, wie drehzahlveränderbare Antriebe mit Frequenzumrichter. Dennoch gibt es viele Prozesse, die intermittierend ablaufen beziehungsweise geregelt werden müssen. Hierbei bietet es sich aus energietechnischer Sicht geradezu an, den gesamten Prozess nach modernen Gesichtspunkten auf den Prüfstand zu stellen. Das typische Beispiel in der Prozesstechnik, bei dem erheblich Energie gespart werden kann, kennen die meisten: die Volumenstromregelung.Beim alleinigen Betrachten der Investitionskosten, bietet sich in vielen Fällen eine einfache Lösung an, die aus einem direkt gestarteten Motor besteht, der eine Konstantpumpe beziehungsweise einen Kompressor antreibt. Die eigentliche Volumenstromregulierung übernimmt dann ein Drosselventil. Eine solche Drosselsteuerung ist einfach und kostengünstig. Allerdings besitzt sie keinen guten Wirkungsgrad aus Sicht der Energieeffizienz. Dieser Malus lässt sich in bestimmten Situationen einfach dadurch umgehen, dass drehzahlgeregelte Pumpen/Kompressoren über Frequenzumrichter an den tatsächlichen Bedarf angepasst werden. Dies funktioniert bis zum kompletten Stillstand, wenn kein Volumenstrom abgerufen wird. Aber nicht nur in der Prozesstechnik schaffen moderne Frequenzumrichtersysteme die Grundlage für energieeffiziente Gesamtlösungen. So gibt es bereits Geräte mit integrierter Energierückspeisung, die im Bremsbetrieb wieder elektrische Energie ins Netz zurückführen. Entscheidend für eine durchgängige Energieoptimierung ist, den Antriebsstrang optimal auf die tatsächliche Aufgabe auszulegen, statt ihn zu überdimensionieren. Der Betriebspunkt sollte so exakt wie möglich erreicht werden. Das funktioniert heute insofern sehr gut, weil die Kombination aus Motor, Getriebe und Antriebstechnik besonders homogen abgestimmt ist.
Viele Wege zur höchsten Energieeffizienz
Es gibt nicht nur einen Weg, der zur verbesserten Energieeffizienz führt. Entscheidend ist: Energieeffiziente Komponenten und Systeme müssen als Grundlage dienen, damit Branchenkenner mit ihrem Expertenwissen für jede Anwendung die perfekte Gesamtlösung realisieren können. Siemens hat alle notwendigen Produkte dafür im Programm. Diese erstrecken sich von der Mess- und Sensortechnik, der Schalttechnik sowie der Antriebs- und Steuerungstechnik bis hin zum Energiemanagement. Eine durchgängige Kommunikation aller eingesetzten Systeme, von der Feldebene über die Steuerungsebene bis hin zur Betriebs- und Managementebene, ist dabei unerlässlich. Insofern profitiert die gesamte Industrie davon, dass die Systeme im Sinne von Totally Integrated Automation perfekt aufeinander abgestimmt sind und die Maschinenbauer und Anlagenbetreiber auf komfortable Weise zu energieeffizienten Produktionsanlagen kommen. Das Ziel ist klar definiert: Steigerung der Energieeffizienz, ohne ausufernde Investitions- und Lebenszykluskosten.
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