Energiesparmöglichkeiten in Sägereien

Einleitung

Energieanalyse

Energiesparen

Technologien

Zusammenfassung

Energie-ERFA des SHIV

Literaturhinweise

Zielwerte für Prozesse in Sägereien

Verbrauchsstatistik

Vorgehen bei den Grobanalysen

Resultate der Energieanalysen

Verallgemeinerung der Resultate

Rundholzbereich

Sägen und Trennen

Entsorgung

Trocknung

Nachbearbeitung

Energiekosten

Holztrocknung und Heizungsanlage

Optimierung der Absauganlage

Druckluft und elektrische Antriebstechnik

 


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© GLOOR ENGINEERING, CH-7434 SUFERS, 7. JULI 1996


Technologien

Holztrocknung

In holzverarbeitenden Betrieben (Sägereien, Hobelwerken und Schreinereien) beanspruchen die zahlreichen Bearbeitungsmaschinen nur einen Teil des jährlichen Stromverbrauchs. Die grossen Energiebezüger sind die Heizungs-, Trocknungs- und Absauganlagen. Der hohe Stromkonsum der Trockenkammern und Heizungen mit den relativ kleinen Motoren mag erstaunen, aber diese Anlagen laufen Tag und Nacht, das ganze Jahr.

Erfassung des Energieverbrauchs

Betrachtet man die Anschaffungs- und Betriebskosten einer automatischen Holzheizung und einer Trockenkammer, so ist es erstaunlich, dass der Energieumsatz oft nicht gemessen wird. Der Stromverbrauch kann zum Beispiel mit einem ausgedienten Stromzähler erfolgen (beim lokalen EW erhältlich). Für die Wärme gibt es ein grosses Angebot an Wärmezählern die auch für die verbrauchsabhängige Heizkostenabrechnung benötigt werden.

Wenn noch keine Messeinrichtung (Literaturhinweis) installiert ist, so kann der Stromverbrauch von Heizung und Trocknung aus der Stromrechnung abgeschätzt werden. In vielen Betrieben läuft in der Nacht nur die Heizung und Trocknungsanlage (eventuell noch Kompressor, Kühlschrank und Boiler). Die Niedertarifzeit liegt in den meisten Stromversorgungsgebieten zwischen 22 Uhr abends und 6 Uhr morgens, sie macht einen Drittel der 8760 Jahresstunden aus. Der Stromverbrauch der Holztrocknung und Heizung, welche auch tagsüber laufen, entspricht somit dreimal der Niedertarifenergie. In Gebieten mit zusätzlichem Niedertarif über das Wochenende ist es ungefähr Faktor zwei. Anhand des Tarifblattes vom EW lässt sich der genaue Faktor (168 Wochenstunden durch die wöchentlichen Niedertarifstunden) leicht errechnen.

Mit der regelmässigen Protokollierung des Wärme- und Stromverbrauchs pro Betriebsstunde kann der Anlagezustand überwacht werden. Bei der Holztrocknung kann zum Beispiel überprüft werden, ob alle Ventilatoren in Betrieb waren, die Wärmetauscher funktionierten oder die Trocknungscharge mehr oder weniger Energie benötigte.

Systeme für die technische Holztrocknung

Am weitesten verbreitet sind die beheizten Zu/Abluft-Trockenkammern, bei welchen die Feuchtigkeit über Abluftklappen entweicht und frische Aussenluft aufgeheizt wird. Dieses Trocknungssystem verschwendet zwar Wärme (heisse feuchte Luft), erfordert aber nur einen geringen technischen Aufwand. Dieses System wird in den folgenden Kapitel näher erläutert.

Bei den Kondensationstrocknern wird die feuchte Luft in der Kammer auskondensiert. Die gewonnene Kondensationsenergie wird über eine Wärmepumpe wieder zur Erwärmung der abgekühlten Umluft genutzt. Das Temperaturniveau ist tiefer als bei den Zu-/Ablufttrocknern, die Trocknungszeit und der Stromverbrauch ist viel höher, darum heute kaum verbreitet.

Für empfindliche Laubhölzer werden teilweise Vakuumtrockner eingesetzt. Durch den Unterdruck verdampft das Wasser schon bei tieferen Temperaturen. Der technische Aufwand ist hoch (Druckkammer, Vakuumpumpe), die Trockenzeit verkürzt sich aber für vorgetrocknetes Holz. Bisher zuwenig Erfahrung für eine Beurteilung der Energie-Effizienz.

Vergleich von Trocknungskammern

Vergleicht man den spezifischen Stromverbrauch (kWh pro m³ getrocknetem Holz), zeigen sich grosse Unterschiede. Diese grossen Abweichungen rühren nicht nur von der Energie-Effizienz der Trockenkammern her, sondern auch vom Holz (Ausgangsfeuchte, Endfeuchte, Holzart, Bretterdicke) und von der Bedienung (Beschickung, Programmwahl, Wartung).


Der spezifische Stromverbrauch für die Holztrocknung variiert zwischen 20 und 100 kWh/m³
(der Stromverbrauch der Heizungsanlage ist hier nicht eingerechnet).

Als energetische Vergleichsgrösse einer Trockenkammer bietet sich die installierte Ventilatorleistung und benötigte Heizleistung pro Nutzvolumen (Raum für die Holzstapel) an. Für die Beurteilung der Kammerkonstruktion ist auch das Verhältnis zwischen Aussenvolumen, Nutzvolumen und Holzvolumen interessant.


Trockenkammern mit Ventilatorleistungen von unter 100 Watt pro m³ Nutzvolumen sind energie-effizient.

 


Je nach Sortiment dauert die Holztrocknung einer Charge zwischen 40 und 400 Stunden.

Die natürliche Holztrocknung

Trockenes Holz ist wertvoller als feuchtes, es wird für viele Weiterverarbeitungsprozesse vorausgesetzt. Die natürlichen Freilufttrocknung dauert Monate, gefährdet die Holzqualität bei zu trockener Witterung (z.B. Föhn). Holzfeuchtigkeitswerte von unter 15% sind in unsern Breitenlagen nicht erreichbar. Wenn es Liefertermin und Klima zulassen, ist eine Vortrocknung im Freien eine einfache und wirksame Energiesparmöglichkeit.


Ab September dauert die Freilufttrocknung für 25 mm Fichtenbretter auf 20% Feuchte über 7 Monate.

 


Für Holzfeuchten unter 15% sind klimatisierte Trockenräume nötig.

Die Trockenkammer

Im folgenden wird die Holztrocknung am Beispiel einer Zu-/Abluft Kammer (Breite 4,4 m, Höhe 4,2 m, Länge 12,4 m) bei 0 °C Aussentemperatur und 50% Holzfeuchte beschrieben.


Trockenkammer mit 12 Stapel (1,4 * 1,1 * 6 m) Fichtenbretter.

Aussenvolumen der Kammer (Länge mal Breite mal Höhe) 230 m³
Aussenflächen der Kammer 250 m²
Isolation der Kammerwand und Decke (k-Wert) 0,5 W/m²K
Leistungs für der Wärmeverlust der Kammer bei 70°C 9 kW
Summe der Transmissionsverluste der Kammer 1000 kWh
Nutzvolumen (Stapelvolumen) 110 m³
Speichermasse der Kammer 5000 kg
Energie für die Kammererwärmung auf 70°C 100 kWh
Dampfmenge bei 70°C, 100% relative Feuchte 30 kg
Energie für die Lufterwärmung 70°C, 100% 25 kWh
Holzvolumen 40 m³
Energie für die Erwärmung des Holzes auf 70°C 700 kWh
Totale Wassermenge bei 50% Holzfeuchte 9000 kg
Energie für die Wassererwärmung auf 70°C 730 kWh
Energie für die Wasserverdampfung auf 10% Restfeuchte 4500 kWh
Energie für die Erwärmung der "trockenen" Aussenluft 3600 kWh
Summe der Trocknungsenergie für 40 m³ Holz 10'000 kWh

Bei diesem Beispiel wird innerhalb von 4 Tagen über 7 Tonnen Wasser aus den 40 m³ Holz herausgetrocknet. Nach der Aufheizphase, welche etwa 15% der Trocknungsenergie benötigt, folgt die Austreibung des freien Wasser bis zum Fasersättigungspunkt bei etwa 30% Holzfeuchte. In dieser Phase kann mit einer hohen Luftgeschwindigkeit Trocknungszeit gewonnen werden. Das Wasser aus dem Holz erhöht die Feuchtigkeit der Kammerluft, welche dann über automatisch betätigte Klappen nach aussen entweicht. Für das Aufheizen der zuströmenden trockenen Aussenluft wird etwa 35% der Trocknungsenergie benötigt. Die Wärmeverluste durch die Kammerwand und den Boden machen rund 10% des Energieverbrauchs aus. Die erforderliche Verdampfungsenergie für das Wasser im Holz könnte durch Kondensation auf einem tieferen Temperaturniveau (um 35 °C) zurückgewonnen werden. Mit dieser Wärme könnte zum Beispiel eine Niedertemperaturheizung für ein Holzlager versorgt werden.


Wie die Heizleistung nimmt auch die benötigte Ventilatorleistung mit zunehmender Trocknung ab.

Energiesparmöglichkeit

Das Wichtigste bei der Holztrocknung ist die Qualität und Wirtschaftlichkeit. Qualität bedeutet aber auch, dass man den Trocknungsprozess beherrscht, und weiss, welche Parameter welchen Einfluss haben. Die Untersuchungen haben ergeben, dass die experimentierenden und protokollierenden Betreiber, eine bessere Qualität und eine höhere Energie-Effizienz bei der Holztrocknung erreichen. Foto: Eine Geometrie mit grosser Stapeltiefe beeinflusst die Energie-Effizienz positiv.

Kammerisolation

Eine gut isolierte Kammer benötigt weniger Energie. Bei Gebäuden (mit einer Temperaturdifferenz von nur 30 °C) besteht eine gute Wärmedämmung aus mindestens 10 cm Isoliermaterial für die Wände und 20 cm für das Dach. Für eine Trockenkammer (mit einem dT von 70 °C) wäre also die doppelte Isolationsstärke sinnvoll. Durch die intensive Luftströmung in der Kammer geht auch über den Boden Wärme verloren. Dieser könnte zum Beispiel mit einer Schicht mit Schaumglas isoliert werden. Während dem Aufheizen entweicht auch Wärme durch undichte Klappen und Türdichtungen.

Heizungsanlage

In vielen Betrieben läuft die Heizung mit einer konstanten Vorlauftemperatur von 90 °C bis zur Trockenkammer, ob diese nun in Betrieb ist oder nicht. Mit guten Wärmetauschern sind auch tiefere Vorlauftemperaturen für die Holztrocknung möglich. Die Heizungsanlage sollte von einem Fachmann (vorteilhaft nicht der Installateur) optimiert werden. Bei einer üblichen Kontrolle wird an den "falschen" Einstellungen nichts verändert.

Umwälzpumpen

Die eingesetzten Umwälzpumpen sind meistens um Faktoren zu gross. Foto: Viele Umwälzpumpen laufen nutzlos. Als Richtwert sollte die Pumpenleistung etwa 1‰ der Heizleistung ausmachen, bei Leistungen über 100 kW sogar noch weniger. Für eine 400 kW Heizung genügt also eine 300 Watt Pumpe. Eine Umwälzpumpe muss nur laufen, wenn Wärme transportiert wird. Die Pumpe kann bei geringerem Wärmebedarf auch langsamer laufen. Für die halbe Durchflussmenge wird achtmal weniger Pumpenleistung benötigt.

Luftumwälzung

Eine Verdoppelung der Luftmenge erfordert die achtfache Leistung. Es wäre daher angebracht, immer nur soviel Luft zu fördern, wie benötigt wird. Bei einer Kammerbeschickung mit dünnen Brettern stellt die freie Luftöffnung etwa 50% des Querschnitts dar. Für eine Luftströmung von 2,5 m/s ist eine bestimmte Luftmenge nötig. Bei einer Beladung mit Balken beträgt die freie Luftöffnung (auch bei dickeren Stapelleisten) nur etwa 30% des Strömungsquerschnitts. Hier würde als schon beim Start eine reduzierte Luftmenge genügen.

Eine Ventilatoranlage kann im Gegensatz zu fixen Stufen der polumschaltbaren Motoren mit einem Frequenzumrichter stufenlos eingestellt werden. Die Einstellung kann so skaliert werden, dass die tiefste Einstellung einer Drehzahl mit einer noch brauchbaren Luftgeschwindigkeit entspricht. Je nach Ventilatortyp entstehen unter einer gewissen Drehzahl nur unnützliche Luftstösse (pumpen).

Mit einer Intervallschaltung (zum Beispiel als verlängerte Pausenzeit zwischen der Luftströmungsumkehr) wird mit geringen Investitionen der Stromverbrauch der Ventilatoren reduziert. In der Trocknungsphase unter 30% Holzfeuchte kann meistens ohne Qualitäts- und Zeitverlust mit einer geringeren Luftumwälzung gefahren werden. An die optimalen Werte muss sich der Betreiber mit Versuchen herantasten.

Bei den langen Betriebszeiten der Trockenkammern ist der Einsatz von energie-effizienten Ventilatoren und Antriebsmotoren rentabel. In vielen Trockenkammern werden 3 kW Axialventilatoren für 30'000 m³/h bei 160 Pascal eingesetzt. Sie haben bei voller Leistung einen Wirkungsgrad von unter 50%. Weil über das ganze Stapelvolumen eine gleichmässige Luftströmung erforderlich ist, sind tiefe Kabinen vorteilhaft. So werden weniger Ventilatoren benötigt und diese sind besser ausgenützt.

Holzart Strömungsgeschwindigkeit
bis zur Fasersättigung
Stapeltiefe
Fichte 2,5 bis 3,0 m/s 4,8 m
Buche 1,5 bis 1,8 m/s 7,5 m

Bei Laubholz bringt eine hohe Luftgeschwindigkeit nur hohe Stromkosten.

Spitzenleistung

In Sägereien machen die Spitzenleistungskosten 25 bis 40% der Stromkosten aus. In vielen Fällen kann die Trocknungsanlage während einem hohen Leistungsbedarf im Werk mit reduzierter Leistung gefahren werden oder sie wird ganz abgeschaltet. Eine Reduktion der Spitzenleistung um 20 kW spart im Jahr 2000 bis 4000 Franken.

Betrieb

Idealerweise sollten in einer Trockenkammer nur Hölzer gleicher Stärke und mit gleichen Anfangs- und Endfeuchten getrocknet werden. Bei der Stapelung ist zu beachten, dass die Luft ungehindert durch die Stösse strömen kann (kein Versatz bei nebeneinander liegenden Stapeln). Üblicherweise ist der Abstand zwischen den Brettern 22 mm. Bei Balken kann aber auch ein grösserer Abstand (30 mm) vorteilhaft sein.

Fast alle Trockenkammern haben Stellen mit ungünstiger Luftströmung. Bei der Trocknung muss gewartet werden, bis auch dort die Endfeuchte im Holz erreicht wird. Der gute Betreiber kennt diese Problemecken und stellt in diese Zonen Holz mit minderer Qualität, hat grössere Zwischenräume zwischen den Brettern oder lässt sie frei.

Die Energiesparmöglichkeiten stecken in der optimalen Beschickung, dem geschickten Plazieren der Messpunkte, im richtigen Trocknungsprogramm und in der zuverlässigen Wartung.

Absauganlage

Bei Lüftungsanlagen im Haustechnikbereich kann mit einer grosszügigen Dimensionierung der Luftkanäle Energie gespart werden. Bei Absauganlagen braucht es aber in den Rohrleitungen hohe Luftgeschwindigkeiten damit die Holzabfälle abtransportiert werden.

Fördergeschwindigkeit

Für den Transport von trockenem Holzstaub sind Mindestgeschwindigkeiten von 16 m/s notwendig, für feuchte Späne 20 m/s. Bei Hochleistungs-Hobelmaschinen sind Ansauggeschwindigkeiten von bis zu 30 m/s erforderlich. Der Druckabfall in den Ansaugstutzen, den Rohrleitungen und Krümmern steigt im Quadrat mit der Luftgeschwindigkeit. Aus diesem Grund ist es wichtig, möglichst kurze Leitungen mit einem Minimum an Bögen zu bauen.

Beispiel: Der Spänetransport mit 3500 m³/h Luft über eine 20 m lange Rohrleitung mit 250 mm Durchmesser erzeugt einen Druckverlust von 400 Pascal, wozu eine pneumatische Leistung von 400 Watt erforderlich wäre. In der Praxis entspricht das 1000 Watt Leistung für den Ventilatormotor. Jeder Rohrbogen benötigt soviel Leistung wie zusätzliche 5 Meter Rohrleitung.

Optimierung der Absaugmenge

In den meisten Anlagen ist die Luftgeschwindigkeit höher als nötig. Die Überdimensionierung ist üblich, denn Reklamationen gibt's bei zu schwachen Anlagen und nicht bei zu hohen Stromrechnungen. Die Reduktion der Luftmenge erfolgt am besten über die Ventilatordrehzahl. Bei einem Riemenantrieb kann mit einem grösseren Scheibendurchmessers beim Ventilator die Drehzahl verringert werden. Bei Direktantrieben hilft eventuell ein neuer Motor mit einer höheren Polzahl oder sonst ein Frequenzumrichter.

Abbildung: Aus dem Kennlinienfeld dieses ungeregelten Hochleistungsventilators kann herausgelesen werden, dass das Schliessen des Schiebers (von Betriebspunkt 2 auf 1) 3 kW Leistung spart.

Wenn an einem Ventilator mehrere Maschinen angeschlossen sind, so sind die Schieber der nicht benötigten Ansaugstutzen zu schliessen. Auch bei ungeregelten Absauganlagen lässt sich damit etwas Energie sparen, wie das nebenstehende Diagramm zeigt. Noch mehr Energie lässt sich einsparen, wenn dazu mit einem Frequenzumrichter die Ventilatordrehzahl auf das momentane Optimum eingestellt wird.

Eine optimierte Absauganlage läuft nur, wenn etwas zu transportieren ist. So würde zum Beispiel an der Bandsäge nur Luft angesogen werden, wenn Sägemehl anfällt.

Neue Absauganlage

Gute Neuanlagen könnten ohne grosse Mehrkosten weniger als die Hälfte des Energieverbrauchs von üblichen pneumatische Entsorgungen ausweisen. Voraussetzung ist eine seriöse Abklärung der Anforderungen: Bestimmung der Absaugmengen am besten durch Ausmessen an den bestehenden Maschinen (suche des Minimums für den optimalen Betrieb). Konzept für die Trennung der Holzabfälle (Rinde, Sägemehl, Späne ...), eventuell Aufteilung auf mehrere Entsorgungsanlagen ...


In den meisten holzverarbeitenden Betrieben wird eine solche Absauganlage angetroffen: lange widerstandsreiche Rohrleitungen, grosse schwere Ventilatoren, mehrere Filter und Staubaustritt aus dem Silo.

 


Eine optimierte Absauganlage ist nicht viel teuer als eine konventionelle, benötigt aber viel weniger Energie: durch kurze gerade Rohrleitungen, ein geregelter Hochleistungsventilator über dem Filter und Spiralförderer ins Silo

Anlagenkonzept

Ausgehend von der Aufgabe, nur soviel Luft anzusaugen, wie gerade benötigt wird, ist das Rohrleitungsnetz so dimensioniert, dass der nominale Druckverlust von allen Maschinen bis zur Absaugung gleich gering ist. Damit die Fördergeschwindigkeit in den Rohrleitungen erhalten bleibt, werden diese wo notwendig als Einzelleitung geführt. Die Ventilatordrehzahl wird so geregelt, dass beim Sammelpunkt der Absauganlage der eingestellte Unterdruck konstant ist. Foto: Druckregler für die Absaugung. Jetzt muss nur noch dafür gesorgt werden, dass die Schieber der Maschinen bedarfsgerecht geöffnet und geschlossen werden. Die pneumatisch oder besser elektrisch betätigten Schieber können zum Beispiel über den Vorschub oder den Laststrom der Bearbeitungsachsen angesteuert werden.

Absaugventilator

Üblicherweise wird ein Transportventilator eingesetzt, welcher zwischen Absaugstelle und Filter angeordnet ist. Wegen der mit Holzabfällen durchmischten Luft muss dieser Ventilator robust gebaut sein und auf strömungstechnische Finessen muss verzichtet werden. Solche Ventilatoren sind teuer und haben einen Wirkungsgrad unter 50%. Hochleistungs - Radialventilatoren sind günstiger und haben Wirkungsgrade von über 80%, sie vertragen aber keine Partikel in der Luft. Aus diesem Grund wird der sowieso notwendige Filter dazwischen geschaltet

Filter

Durch die gesamthaft geringere Luftmenge ist die Belastung des auf Unterdruck ausgelegten Filters viel geringer. Der Befehl für die Filterabreinigung erfolgt über den Anstieg des Differenzdruckes bei zum Beispiel 200 Pascal. Die abgeschiedenen Holzabfälle werden direkt mit einem Spiralförderer aus dem Filter drucklos ins Silo transportiert.


Antriebstechnik

Druckluft

Druckluft ist ein teurer Energieträger, der Kubikmeter kostet etwa gleichviel wie eine kWh Strom. Je höher der Nenndruck ist, desto grösser ist die benötigte Energie und der Kompressorverschleiss, auch die Verluste durch Lecke nehmen überproportional zu. Aus diesem Grund ist der Solldruck möglichst tief einzustellen. Wenn nur einige Aggregate mehr brauchen, so können diese vielleicht umgebaut werden (grösserer Zylinder). Auch ein Druckerhöhungsgerät oder ein eigener kleiner Kompressor kann sich lohnen.

Für Betriebe mit nur gelegentlichem Druckluftbedarf ist der Kolbenkompressor die richtige Wahl. Wenn dauernd viel Druckluft benötigt wird, ist ein richtig dimensionierter Schraubenkompressor einzusetzen. Zwei sich ergänzende Kompressoren sind besser als ein grosser, welcher die meiste Zeit vor sich hin heizt.

Mit ausreichend dimensionierten Druckluftbehältern, vorzugsweise in der Nähe der Grossverbraucher, kann der Wirkungsgrad und Lebensdauer der Druckluftanlage verbessert werden. Das gilt auch für Schraubenkompressoren, die oft ohne Speicher installiert werden. Am Aufstellungsort der Kompressoren sollte für saubere und kühle Ansaugluft gesorgt werden. Die Kompressorabwärme kann eine nützliche lokale Wärmequelle sein (Führerstand ..).

Ausserhalb der Arbeitszeit sollen der Kompressor und Kältetrockner abgestellt werden. Dazu ist auch der Ausgang am Windkessel zu verschliessen, damit die durch Lecke ausströmende Luft nicht das Leistungssystem anfeuchtet. Der Kältetrockner ist etwa eine halbe Stunde vor dem Arbeitsbeginn einzuschalten (Wochenschaltuhr) damit er auf Betriebskälte ist, wenn wieder Druckluft benötigt wird.

Auch in der kalten Jahreszeit muss die Druckluft trocken sein, damit Ventile und Zylinder welche dem Aussenklima ausgesetzt sind, nicht vereisen. Bei geringem Druckluftbedarf im Aussenbereich kann die Anschaffung eines energie-ineffizienten Adsorptionstrockner vermieden werden, wenn im Strang nach draussen an einer kalten Stelle ein Windkessel installiert werden, indem sich die Feuchtigkeit sammelt. Bei grösserem Druckluftbedarf kann wenigstens für die Zeit mit Aussentemperaturen über der Null Grad ein energie-effizienter Kältetrockner eingesetzt werden.

Für die regelmässige Überprüfung des Zustandes der Druckluftanlage wird folgendes Vorgehen vorgeschlagen:

Asynchronmotor

Der Asynchronmotor ist der am häufigsten eingesetzte Industriemotor. Er ist günstig, robust und kann selber am Stromnetz anlaufen. Der Asynchronmotor hat seinen Namen von der Tatsache, dass er sich nicht synchron mit der Netzfrequenz, sondern etwas langsamer dreht. Je grösser dieser Schlupf wird, desto grösser ist sein Drehmoment, bis es hinter dem Kippmoment wieder abnimmt und der Motorschutz ausgelöst wird.


Kennlinie eines 4-poligen Asynchronmotors mit 3 kW Nennleistung.

Im Betriebspunkt gibt der Asynchronmotor bei seiner Nenndrehzahl seine Nennleistung ab. Diese Daten sind auf dem Typenschild zu finden. Der 2-polige Asynchronmotor erreicht am Stromnetz die höchste Drehzahl mit knapp 3000 U/min. Für höhere Drehzahlen ist entweder ein Getriebe, ein Frequenzumformer oder ein Gleichstromantrieb erforderlich. Je höher die Polzahl ist, desto tiefer ist die Nenndrehzahl. Bei 6, 8 und mehrpoligen Ausführungen wird der Motor für die gleiche Leistung immer grösser und teuerer.

Je höher die Motorleistung ist, desto besser wird der Wirkungsgrad. Bei Antrieben mit hoher Laufzeit (Ventilatormotoren in der Trockenkammer, Umwälzpumpenmotor ...) lohnt sich die Auswahl nach dem Wirkungsgrad. Sogenannte "Energiesparmotoren" sind nicht viel teuerer als Standardmotoren, die technischen Daten der Anbieter sind aber jeweils zu überprüfen, denn in einer Typenreihe kann es vorkommen, dass ein Energiesparmotor schlechter als ein guter Standardmotor ist. (Siehe untenstehende Tabelle).

Nennleistung Standardmotor Energiesparmotor
4-polig Nenndrehzahl Wirkungsgrad Nenndrehzahl Wirkungsgrad
1,5 kW 1405 U/min 82,0 % 1385 U/min 80,1 %
3 kW 1415 U/min 81,0 % 1410 U/min 84,1 %
7,5 kW 1450 U/min 87,0 % 1465 U/min 90,1 %
15 kW 1455 U/min 89,0 % 1460 U/min 92,0 %
37 kW 1475 U/min 92,5 % 1470 U/min 94,2 %
75 kW 1480 U/min 94,5 % 1475 U/min 95,2 %

Auszug aus den technischen Daten von zwei bekannten Motorenlieferanten. Zu beachten:
der 1,5 kW Standardmotor ist bei diesem Vergleich besser als der Energiesparmotor.

Beispiel Wirtschaftlichkeit: 15 kW Absaugventilator mit 1800 Betriebsstunden benötigt mit dem 1500 Franken teuren Standardmotor 30'340 kWh Strom pro Jahr. Mit dem Energiesparmotor nur 29'350 kWh. Die Differenz von knapp 1000 kWh kostet rund 200 Franken Strom, etwa der Mehrpreis des Energiesparmotors. Während der Lebensdauer ergibt das einige 1000 Franken Einsparung.

Frequenzumrichter

Mit einem Frequenzumrichter kann der Asynchronmotor auch mit anderen Frequenzen als der Netzfrequenz von 50 Hz gespiesen werden. Über Tasten, ein Potentiometer oder von einer Steuerung kann die Drehzahl von etwa 5% bis auf über 100% der Nenndrehzahl eingestellt werden. Bei Antriebsaufgaben mit lange andauernden tiefen Drehzahlen und hohem Drehmoment (zum Beispiel Kratzförderer) muss ein oberflächengekühlter oder fremdbelüfteter Motor eingesetzt werden. Der eingebaute Lüfter eines Standardmotors würde bei den tiefen Drehzahlen zu wenig Wärme abführen. Bei Ventilatorantrieben sind tiefe Drehzahlen kein Problem, weil dort kein hohes Moment gefordert wird.


Richtpreise von Asynchronmotoren und Frequenzumrichter.

Der Preis eines Motors hängt von seiner Grösse und somit vom Nenndrehmoment ab. Die Drehmomentanpassung an die Last ist mit einem Getriebe meistens günstiger als mit einem grossen Motor. Ein Getriebe hat ein Reibungsmoment, welches von der übertragenen Leistung wenig abhängig ist. Der Wirkungsgrad eines Motors oder eines Getriebes bezieht sich auf die Nennleistung. Im Teillastbereich oder bei tieferen Drehzahlen ist der Wirkungsgrad schlechter.

Anlaufverhalten

Bei Arbeitsmaschinen mit langsamen Drehzahländerungen gilt die Bedingung, dass über den ganzen Drehzahlbereich das Lastmoment nicht grösser als das Antriebsmoment sein darf. Wenn das Losbrechmoment (die Haftreibung) nicht grösser als das Anlaufmoment ist, sind keine Anlaufschwierigkeiten zu erwarten.


Ein hohes Losbrechmoment kann den Motor blockieren.

Bei hohen Lastmomenten im Bereich des Motoranlaufmomentes nützt bei Asynchronmotoren ein Sanftanlaufgerät nicht viel, denn der Motor beschleunigt erst, wenn er genug Spannung hat, um das Losbrechmoment zu überwinden. Mit einem modernen Frequenzumrichter steht aber schon beim Start ein hohes Drehmoment zur Verfügung.

Schaltspiele

Ein Asynchronmotor, der direkt oder mit einen Softstarter ans Netz geschaltet wird, erhitzt sich beim Hochfahren mit der Energie, welche der Rotationsenergie des Rotors und der Last entspricht. In den Datenblättern von Standardmotoren ist die zulässige Anzahl Leerumschaltungen pro Stunde angegeben, verschiedene Lieferanten verfügen auch über entsprechende Dimensionierungsprogramme. Kleine Asynchronmotoren können viel mehr Schaltungen (einige pro Sekunde) als grosse (einige pro Stunde) verkraften. Beim Betrieb mit einem Frequenzumrichter hat der Motor einen beschränkten Schlupf und kann viel häufiger geschaltet werden.

Bei Pausen abschalten rentiert: Das Abschalten einer Maschine lohnt sich, wenn die Pause grösser als die 5-fache Hochlaufzeit ist. Wenn eine Besäummaschine innerhalb von 2 Sekunden auf Touren ist, lohnt sich das Abschalten bei einer Pause ab 10 Sekunden. Der Anlaufstrom wirkt sich nicht auf die vom EW verrechnete Spitzenleistung aus (Mittelwert während 15 Minuten).

Sparschaltungen

Asynchronmotoren, welche oft ohne Last laufen, können in dieser Zeit auch in der Sternschaltung betrieben werden. Durch die tiefere Klemmenspannung sind die Motorenverluste um etwa 30% kleiner. Es gibt auch sogenannte "Energy-Saver" welche im Teillastbereich mit einem Phasenanschnittgerät die Spannung reduzieren. Die Investitionen werden nur in besonderen Fällen durch die Energieeinsparung bezahlt. Oft ist der Ersatz des schlecht dimensionierten Motors die günstigere Lösung.

Getriebe

Antriebskomponenten mit einer hohen Laufzeit sollten mit energie-effizienten Getriebetypen ausgerüstet sein. Als besonders schlecht sind die in der Anschaffung günstigen Schneckengetriebe zu erwähnen, welche im Kilowattbereich mehr als die Hälfte der aufgenommenen Leistung verheizen.


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