Artikel Elektrotechnik der Chemieunternehmen ist prädestiniert zum Energiesparen

Elektrische Energie lässt sich sehr schnell steuern und regeln - deshalb ist sie prädestiniert zum Energiesparen", argumentiert Dr. Hans Linnenbrink, Leiter des Namur-Arbeitskreises Antriebstechnik. In der Chemieindustrie entfällt der Löwenanteil der eingesetzten elektrischen Energie (48 Prozent) auf Antriebe, 30 Prozent werden für Elektrolyseprozesse genutzt, 16 Prozent entfallen auf das Erzeugen von Elektrowärme und sechs Prozent fließen in die Beleuchtung.

Und überall gibt es Potenziale für Energieeinsparungen. Allerdings sind es längst nicht nur die Verbraucher selbst, bei denen Möglichkeiten zur Energieoptimierung vorhanden sind. Bereits bei der Stromübertragung und -verteilung kommt es in der Praxis zu Verlusten, die sich nicht nur bei Überlandleitungen und Trafostationen der Energieversorger zeigen, sondern auch in den Werksnetzen großer Chemieparks. Für einen großen Chemiepark, wie beispielsweise dem Chempark Leverkusen, lassen die nackten Installationszahlen das Potenzial erahnen: Über 1.000 km Kabel, mehr als 100 Hoch- und Mittelspannungs-Schaltanlagen, über 6.000 Niederspannungsschaltanlagen und zum Teil deutlich mehr als 1.000 Transformatoren mit Leistungen über 1.000 MVA. Nicht zu vergessen die zahlreichen Schalträume und Anlagen zur unterbrechungsfreien Stromversorgung. Für Verluste sorgt hier vor allem der Transport von Blind- und Verzerrungsleistung. Die Blindleistung wird üblicherweise mit konventionellen Kompensationseinrichtungen auf geringe Werte herabgesetzt. Um die Verzerrungsleistung, die aus den Oberschwingungen nicht sinusförmiger Ströme gebildet wird, zu reduzieren, empfiehlt Linnenbrink den Einsatz oberschwingungsarmer Stromrichter oder aktiver Filter.

Dickere Kabel - lohnt der Aufwand?

Ein großer Hebel ist die Vergrößerung des Leiterquerschnitts. Denn ähnlich wie in einem flüssigkeitsführenden Rohr der Druckverlust mit steigendem Rohrquerschnitt sinkt, so sinkt im Stromnetz die Stromdichte mit steigendem Leitungsquerschnitt. Doch um in Summe Energie zu sparen, muss die zur Herstellung von Kupfer oder Aluminium notwendige Primärenergie später wieder eingespart werden. Wann dies der Fall ist, hat Linnenbrink durchgerechnet: „Der Materialeinsatz macht sich bei Kupfer immer bezahlt. Die Amortisationszeit verlängert sich je nach der angestrebten Stromdichtenreduktion. Im Rechenbeispiel wird die Stromdichte im Leiter durch den Einsatz von einer Tonne Kupfer von 3,5 auf 3 A/mm² reduziert. Durch die geringeren Leitungsverluste kann die zur Kupfergewinnung eingesetzte Primärenergie in rund 200 Stunden wieder eingespart werden. Bei Aluminium ist die Amortisationszeit noch kürzer", lautet sein Fazit. Im Rechenbeispiel wird die Stromdichte im Leiter durch den Einsatz von einer Tonne Kupfer von 3,5 auf 3 A/mm² reduziert. Durch die geringeren Leitungsverluste kann die zur Kupfergewinnung eingesetzte Primärenergie in rund 200 Stunden wieder eingespart werden.

Wie groß die Potenziale allein für Leistungs- und Verteiltransformatoren sind, zeigt eine Studie der Europäischen Union: Die existierenden 4,5 Millionen Verteiltransformatoren verursachen Verluste in Höhe von 38 TWh/a. „Das ist mehr als der sechsfache Elektrizitätsverbrauch der BASF", verdeutlicht Linnenbrink. Und diese Verluste könnten durch den Einsatz moderner Transformatoren halbiert werden.

Mit IE2-Motoren jährlich drei Terrawattstunden sparen

Für die Unternehmen der Chemieindustrie stehen in punkto Stromsparen vor allem elektrische Antriebe im Blickfeld. Auch hier ist Energieeffizienz vor allem eine Frage des eingesetzten Materials. Seit 16. Juni 2011 dürfen nach der EU-Verordnung Nr. 640/2009 in definierten Leistungs- und Einsatzbereichen nur noch die energieeffizienten IE2-Motoren zum Einsatz kommen. Gegenüber einem herkömmlichen 10-kW-Motor mit Verlusten von 1,6 kW erzeugt ein Hocheffizienzmotor nach IE2 lediglich Verluste von 1,1 kW. Auf ganz Deutschland hochgerechnet könnten jährlich 3,3 TWh elektrischer Energie eingespart werden, wenn die Hälfte der Motoren durch IE2-Antriebe ausgetauscht werden würden.

Für Anwender in der Chemie sind insbesondere die für Ex-Motoren getroffenen Änderungen relevant. Während diese früher in ihrem Wirkungsgrad nicht gekennzeichnet werden durften, schließt die neue Norm IEC 60034-30, die für Motoren von 0,55 bis 355 kW gilt, auch Ex-Motoren mit ein. Allerdings beschränkt sich der European Minimum Energy Performance Standard (EuP MEPS) auf Industrie-Standardmotoren. „Ex-Motoren hat man bewusst ausgelassen, weil bei diesen das Schutzziel Sicherheit vor Energieeinsparen geht", konkretisiert Linnenbrink. Da allerdings rund vier Fünftel der in deutschen Chemieunternehmen eingesetzten Motoren in explosionsgeschützter Ausführung genutzt werden, spielt auch hier der Energieeffizienz-Gedanke eine wichtige Rolle. Und so haben sich Namur und VIK mit den Empfehlungen NE 122 und VE01 des Themas angenommen: Zunächst lassen sich die im explosionsgefährdeten Bereich eingesetzten Motoren nach ihrer Zündschutzart unterscheiden:

• Ex e, „erhöhte Sicherheit" (Gerätegruppe II - Kategorie 2G, entspricht Zone 1). Diese stehen für rund 75 Prozent der in der deutschen Chemie eingesetzten Motoren. Bei dieser Zündschutzart wird die Entstehung von Funken, Lichtbögen oder zu hohen Temperaturen des Motors durch eine Reihe von Maßnahmen verhindert. Zusätzlich ist immer ein geeignetes Überwachungsgerät erforderlich, das auch im Störfall vor einer Zündung bewahrt.
• Ex nA, „nicht funkend": Diese Motoren sind der Gerätegruppe II - Kategorie 3G (entspricht Zone 2) zugeordnet. Auch hier wird das Auftreten von Lichtbögen, Funken oder heißen Oberflächen durch konstruktive Maßnahmen verhindert.
• Ex d „druckfest gekapselt" (Zone 1): Das Motorgehäuse ist so ausgeführt, dass sich eine Explosion im Inneren nicht auf die Umgebung des Motors ausbreiten kann.

„Es ist überhaupt kein Problem, Ex-nA-Motoren und Ex-d-Motoren in IE2 auszuführen. Für Ex-e-Motoren lautet die Empfehlung von Namur und VIK mindestens IE 1 - natürlich mit dem Hintergedanken, dass das die Hersteller motiviert, IE2-Motoren in Ex e zu entwickeln. Und das tun sie bereits", berichtet Linnenbrink. Aber auch hier stellt der Elektrotechnik-Experte die Frage „Lohnt sich das überhaupt?" - und antwortet mit einem klaren „Ja": „Mit bestimmten Annahmen kann die Amortisation eines neuen IE2-Motors kleiner als ein Jahr sein."

Motoren früher ersetzen

In Chemieunternehmen eingesetzte Motoren haben in der Regel eine Lebensdauer von mehr als zehn Jahren. Da in einem großen Chemiepark durchaus 100.000 Motoren im Einsatz sein können, besteht ein enormes Potenzial, das die Betreiber allerdings vor logistische Probleme stellt. Das schnelle und vollständige Auswechseln aller Motoren ist aus Zeit- und Kostengründen nicht möglich. Linnenbrink empfiehlt deshalb beim Neukauf nur noch zertifizierte Motoren auszuwählen und die Reparaturkostengrenze zu senken.

Neben der Elektrotechnik bestehen beim Einsatz von Pumpen, Ventilatoren und Motoren allerdings noch zahlreiche weitere Möglichkeiten zur Energieeinsparung. Dazu gehört der Ersatz von Drossel- oder Bypassregelungen durch drehzahlgeregelte Pumpen, der sich aus Sicht des Experten bereits bei Leistungen von weniger als 10 kW lohnen kann. „Häufig wird übersehen, dass mit der Drehzahlregelung nicht nur ein effizienter Teillastbetrieb möglich ist, sondern mit einer höheren Drehzahl auch der Durchfluss gesteigert werden kann", verdeutlicht Linnenbrink einen weiteren Vorteil der Antriebsregelung. Gerade in verfahrenstechnischen Anlagen besteht oft signifikantes Potenzial zur Systemoptimierung. Wenn zum Beispiel Hydraulik, Getriebe und Motor mit je 20 Prozent Sicherheitsreserve geplant werden, dann wird der Motor um 73 Prozent überdimensioniert.

Dass sich selbst der Blick auf weniger spektakuläre Elemente der Gebäudetechnik lohnt, zeigt das Beispiel der Aufzugstechnik: Bei der BASF wurde bei einem Personenaufzug der Drehstrommotor mit Getriebe durch einen mit Frequenzregelung und die Relaissteuerung durch eine Mikroprozessorsteuerung ersetzt. Statt Glühlampen kommen nun Kompaktleuchtstofflampen oder LED zum Einsatz. Neben Energieeinsparungen von fast zwei Dritteln wurde deutlich, dass der frequenzgesteuerte Motor höhere Geschwindigkeiten erlaubt, wodurch in Gebäuden mit mehreren Aufzügen auch Aufzüge eingespart werden konnten. Bei über 700 Aufzügen beträgt das Sparpotenzial allein im Ludwigshafener Chemiewerk 10 GWh pro Jahr.

Elektrolyse: Neues Verfahren spart 30 Prozent Strom

Dem neben der Antriebstechnik zweitgrößten Stromverbraucher in der Chemie, der Elektrolyse, rücken die Ingenieure mit einem neuen Verfahren zu Leibe: Gemeinsam mit dem Anlagenbauer Uhde hat Bayer Materialscience ein Verfahren entwickelt, das nach dem Prinzip der Brennstoffzelle arbeitet.

Gegenüber dem klassischen Membranverfahren wird die wasserstoffentwickelnde Kathode durch eine Sauerstoffverzehrkathode ersetzt. Durch die Einspeisung von Sauerstoff sinkt die Zellspannung von 3 auf 2 Volt. Dadurch lassen sich Energieeinsparungen in Höhe von 30 Prozent erzielen. „Wenn 15 Prozent aller Elektrolysen der Welt die Sauerstoffverzehrkathode nutzen würden, dann könnten jährlich 10 Milliarden Kilowattstunden eingespart werden - das entspricht 5 Millionen Tonnen Kohlendioxid", erklärt Linnenbrink. Bei Bayer Materialscience wird das Verfahren seit Mai 2011 in einer großtechnischen Elektrolyseanlage am Standort Krefeld-Uerdingen eingesetzt. Insbesondere für die Ablösung der noch nach dem Amalgam-Verfahren betriebenen Elektrolyseprozesse ist das Verfahren attraktiv (siehe Fachbeitrag in CT 5/2011).

Begleitheizungen im Sommer abstellen

Ein weiteres lohnenswertes Feld für Stromsparmaßnahmen ist die Elektroheiztechnik. Elektrische Begleitheizungen werden in Chemieanlagen als Frostsicherung eingesetzt. Durch eine unzureichende Füllung des Isolierstoffes und vor allem durch Feuchtigkeit entstehen in der Praxis vermeidbare Wärmeverluste. Dazu kommt, dass in der Vergangenheit Thermostate eingesetzt wurden, die für Temperaturen bis -20 °C ausgelegt waren, um auch den strengsten Frost sicher zu bewältigen. Und häufig laufen diese Heizungen im Winter und im Sommer durch. Eine energiesparende Alternative sind hier außentemperaturgeführte Steuerungen, mit denen die Heizleistung angepasst wird. „Bei der BASF hat man dadurch bei elektrischen Frostschutzheizungen bis zu 80 Prozent Energieeinsparung erzielt", berichtet Linnenbrink.

Und auch auf einen verbreiteten Irrtum weist der Elektrotechniker hin: Sogenannte „selbstregelnde" Heizbänder regeln eigentlich nicht, sondern regulieren die elektrische Leistung nur entsprechend der Umgebungstemperatur. Am Beispiel einer Frostschutzheizung wird deutlich, dass der Effekt unter energetischen Gesichtspunkten gering ist: Bei einer Rohrtemperatur von 5 °C gibt die Heizung 27,5 W/m ab. Ohne weitere Steuerung sind es bei 20 °C immer noch 21 W/m. „Das ist völlig sinnlos eingesetzte Energie", kommentiert Linnenbrink.

Deutlich geringer, aber in der Gesamtsumme immer noch nennenswert sind die Einsparmöglichkeiten bei der Beleuchtung: Hier sind es vor allem Steuerungsmaßnahmen, mit denen unnötige Beleuchtung abgeschaltet wird, wodurch nach der Einführung von Spiegel-Rasterleuchten, elektronischen Vorschaltgeräten sowie T5-Lampen weitere Einsparungen möglich werden. Mit LED- und OLED-Technik wird der Strombedarf der Beleuchtung noch weiter reduziert werden. Allerdings geht dies zu Lasten der Netzqualität, da Energiesparlampen einen höheren Oberschwingungsanteil generieren. Daher sollte auf möglichst oberschwingungsreduzierte Ausführungen zurückgegriffen werden.

In seinem Fazit kommentiert Dr. Hans Linnenbrink: Das Thema Energiesparen hat einen hohen politischen Stellenwert. Wir sollten dies bei unseren Maßnahmen berücksichtigen.


Entscheider-Facts
Maßnahmen zum Energiesparen

• Begleitheizungen im Sommer abstellen
• Höherer Materialeinsatz bei Leitungen und Transformatoren
• Einsatz neuer Elektrolyseverfahren
• Einsatz von IE2-Motoren im Ex-Bereich