MegaLink.ch Eco November 2008 by AZ Fachverlage AG

November 2008

Mit effizienten Motoren Energie sparen ECOmise your mind mit EBV Elektronik Energieeffizienz f端r Einsteiger Stroh im Tank

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Containerschiffe, Verkehrsleitsysteme, Druckmaschinen oder Automobilproduktion: Die modulare SPS MELSEC System Q ist mit allen Wassern gewaschen. Das garantieren erstens ihre vielfältigen Ausbaumöglichkeiten und Kommunikationsschnittstellen. Zweitens die Fähigkeit, bis zu vier leistungsstarke CPU-Module unterschiedlichste Aufgaben synchron ausführen zu lassen. Und drittens eine Vielzahl von Baugruppen, die die MELSEC System Q noch intelligenter, sicherer und ﬂexibler machen. So wächst diese SPS von der Stand-alone-Lösung bis zum vernetzten, redundanten Prozess-Leitsystem immer über sich hinaus – und sorgt in Ihrer Anlage für volle Fahrt voraus. Distributed by Detaillierte Infos: www.automation4you.ch | Tel. +41 44 838 48 11

Voraus.

Editorial

nergiesparen liegt im Trend. Alle sprechen von energieeffizienten Antrieben, Ressourcen sparen oder CO2-Emissionen senken. Dass am Anfang jeder Initiative, die Umwelt zu schonen, erst einmal höhere Investitionen stehen, mindert die Begeisterung keineswegs. Schliesslich dienen solche Massnahmen dem Schutz unserer Umwelt und kommen damit allen zugute. Wie steht es aber um die Investitionsfreudigkeit, wenn der «Noch sind wir zwar keine gefährdete Art, Geschäftsgang durch Ereignisse aber es ist nicht so, dass wir nicht oft genug wie die Finanzkrise getrübt wird? versucht hätten, eine zu werden.» Investieren dann die Douglas Adams Entscheidungsträger trotzdem, oder fallen die guten Vorsätze bald wieder Sparmassnahmen zum Opfer? Spätestens dann zeigen sich die wahren Motive hinter dem Umweltschutz und jeder Manager muss sich die Frage stellen, wie seine Taten im Verhälnis zu seinen Versprechungen stehen. Der WWF belegt mit seinen neuesten Berechnungen, dass bei gleichbleibendem Verbrauch an natürlichen Ressourcen bis zum Jahr 2035 zwei Planeten benötigt würden, um den Bedarf an Nahrung, Energie und Fläche zu decken (WWF – «Living Planet Report 2008», www.wwf.ch). So beklemmend dieses Szenario ist, so folgerichtig sind die Energiesparmassnahmen, die sich durchzusetzen beginnen. Dabei kommt die Hoffnung auf, dass das Schlimmste doch noch verhindert werden kann – ob die Motive dahinter finanzieller Art sind, verliert dann an Bedeutung. Thomas Meier, Redaktor thomas.meier@megalink.ch

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2008 National Instruments. Alle Rechte vorbehalten. LabVIEW, National Instruments, NI und ni.com sind Warenzeichen von National Instruments. Alle anderen Produkt- und Firmennamen sind Warenzeichen oder Handelsbezeichnungen der jeweiligen Unternehmen. Druckfehler, Irrtümer und Änderungen vorbehalten. 2008-10134-301-140-D

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Inhaltsverzeichnis

Themen

Energieeffizienz Steigende Energiekosten erfordern mehr Transparenz. Ein Energiemanagementsystem hilft bei der Kontrolle der Versorgung mit Strom, Gas oder Wasser, schont die Ressourcen und hält die Kosten niedrig.

Effiziente Motoren Mit Hochwirkungsgrad-Elektromotoren lassen sich erhebliche Energieeinsparungen erzielen. Doch neben dem Wirkungsgrad gibt es noch weitere wichtige Eigenschaften zu berücksichtigen.

Stroh im Tank Das Erdöl geht zur Neige. Alternative Energiequellen liessen sich bislang nur zu Lasten der Umwelt und der Nahrungsmittelproduktion erzeugen. Karlsruher Forscher gehen nun einen anderen Weg.

Editorial

Inhaltsverzeichnis

ECOmise your mind

kurzmeldungen

Energieeffizienz für Einsteiger

Mit effizienten Motoren Energie sparen

Vorhandene Energie produktiver nutzen

Frequenzumrichter erhöhen Effizienz

Stroh im Tank

Mehr Rechenleistung mit weniger Strom

Kostenberechnung für USV-Anschaffung

Energiesparen durch Vernetzung

Ein Roboter im Dienste der Umwelt

PAC-basiertes Monitoringsystem

Isolationsmessung an Hybridfahrzeugen

Stromversorgungen mit Doppelnutzen

Solarinstallationen optimieren

Impressum/Firmen in dieser Ausgabe

Porträts und Highlights 25 Jahre Minkels AG

Energiesparoffensive im Rechenzentrum

Energieeffiziente Linearantriebe

Zum Titelbild ECOmise your mind EBV Elektronik, der führende HalbleiterSpezialist in EMEA, stellt sich den Herausforderungen des globalen Klimawandels und positioniert sich in der Halbleiterdistribution als Vorreiter in Sachen Umweltschutz. EBV Elektronik möchte das Bewusstsein seiner Kunden, Lieferanten, Mitarbeiter und der Öffentlichkeit im Hinblick auf den Umweltschutz sensibilisieren.

Für EBV bedeutet Umweltschutz nicht nur ökologische Verantwortung, sondern gleichzeitig auch einen Wettbewerbsvorteil: Nur wer ökologisch neue Massstäbe setzt, wird auch ökonomisch erfolgreich sein. EBV Elektronik 8953 Dietikon Tel. 044 745 61 61 dietikon@ebv.com www.ebv.com/ecomiseit

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Energie

Im Zuge des Klimawandels entwickelt sich gegenüber Unternehmen eine andere Erwartungshaltung von der Gesellschaft an sich und vom Kunden im Besonderen. Dem kann sich niemand dauerhaft entziehen. Deshalb ist für EBV Elektronik Umweltschutz nicht nur ökologische Verantwortung, sondern auch Wettbewerbsvorteil: Nur wer ökologisch neue Massstäbe setzt, wird auch ökonomisch erfolgreich sein.

EBV Elektronik will innerhalb des Avnet-Konzerns eine Pionierfunktion für fortschrittliche Unweltpolitik einnehmen.

ls EMEA (Europe, Middle-

A East, Africa)-weit agierendes

Unternehmen nimmt EBV Elektronik gesellschaftliche Entwicklungen ebenso wie Umweltfragen sehr ernst. Es geht nicht nur darum, den aktuellen Gesetzen und Richtlinien genüge zu tun, sondern ihnen möglichst einen grossen Schritt voraus zu sein. Es geht darum, eigenständig Massstäbe zu setzen und die Kunden über alle relevanten Punkte rund um das Thema rechtzeitig und pro-aktiv zu informieren. EBV Elektronik hat sich dieses Ziel als Selbstverpflichtung auferlegt und will innerhalb des Avnet-Konzerns eine Pionierfunktion für fortschrittliche Unweltpolitik einnehmen.

Infos EBV Elektronik 8953 Dietikon dietikon@ebv.com Tel. 044 745 61 61 www.ebv.com www.ebv.com/ecomiseit www.ebv.com/bat

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Umweltziele erfolgreich umsetzen Um erfolgreich in der Umsetzung zu sein, ist es erforderlich, dass sich der Umweltgedanke durch das gesamte Unternehmen wie ein «roter Faden» zieht. Mit «ECOmise it» hat EBV Elektronik hierzu eine Umweltschutzkampagne gestartet. Dabei handelt es sich um gezielte Projekte, welche die Grundlage eines langfristigen Einsatzes des Unternehmens für den Klimaschutz bilden. Es gilt überdies, sinnvolle Umweltschutzziele zu formulieren, diese in einem definierten Zeitraum umzusetzen, und die Mitarbeiter für den Umweltschutz und den schonenden Umgang mit natürlichen Ressourcen zu sensibilisieren. Um sicherzustellen, dass die Ziele und Vorschriften in Unternehmen umgesetzt werden, ist es notwendig, die Mitarbeiter regelmässig zu schulen und zu motivieren. Audits, die Zusammenarbeit mit internationalen Organisationen, die Messung des Erreichten und die Veröffentlichung der Ergebnisse tragen zu einem höheren Umweltbewusstsein in einem Unternehmen bei. Mit Ende jeden Fiskaljahres eva-

luiert und veröffentlicht die EBV Elektronik deshalb im «ECOmise it-Report» die Umsetzung ihrer gesetzten Umweltziele. Somit wird transparent, welche definierten Ziele erreicht oder auch noch verfehlt wurden. Ferner werden die Zielvorgaben für das folgende Jahr festgelegt.

Umweltrichtlinien weisen den Weg EBV Elektronik wird sich nachhaltig zu einem klimaneutralen Unternehmen entwickeln. Dazu hat das Unternehmen neue Umweltrichtlinien definiert. Unter anderem gleicht die EBV beispielsweise CO2-Ausstösse, die durch Geschäftsreisen ihrer Mitarbeiter per Flugzeug oder Auto entstehen, durch die Unterstützung geeigneter Umweltprojekte komplett aus. Mitarbeiter sind angewiesen, Geschäftsreisen nach ökologischen und ökonomischen Gesichtspunkten zu planen. Die internen «Ecomise it»-Verhaltensrichtlinien fordern alle EBV-Mitarbeiter dazu auf, Rohstoffe und Energien sparsam einzusetzen. Neben der Unterstützung lokaler Projekte richtet die EBV jährlich den Ideenwettbe-

werb ÂŤECOmiseIdeasÂť aus, in dem Mitarbeiter ihre EinfĂ¤lle zur Energieeffizienz innerhalb der EBV einreichen kĂśnnen. Unter den VorschlĂ¤gen aller Mitarbeiter EMEA-weit werden schliesslich die besten Ideen ausgewĂ¤hlt und prĂ¤miert. Nur wer Ăśkologisch neue MassstĂ¤be setzt, wird auch Ăśkonomisch erfolgreich sein.

Die EBV Elektronik unterstĂźtzt regelmĂ¤ssig ausgewĂ¤hlte Projekte, die sich in besonderem Masse fĂźr den Klimaschutz engagieren. Zuletzt waren dies der ÂŤBund Naturschutz in Bayern e.V.Âť sowie ÂŤRettet den Regenwald e.V.Âť. Die Auswahl der GeschĂ¤ftspartner erfolgt in besonderem Masse unter BerĂźcksichtigung Ăśkologischer Faktoren; Hersteller, Lieferanten wie auch Kunden werden in die UmweltaktivitĂ¤ten mit einbezogen, um durch entstehende Synergien gemeinsam weiterreichende Ziele erreichen zu kĂśnnen. [pm]

EBV Elektronik, ein Unternehmen der Avnet Gruppe, wurde 1969 gegrĂźndet und ist der fĂźhrende Halbleiterspezialist in Europa. EBV pflegt eine erfolgreiche Strategie der persĂśnlichen Kundenbindung in Verbindung mit qualitativ hochstehendem Service. 240 technische Vertriebsingenieure konzentrieren sich auf eine begrenzte Zahl von langfristigen Herstellerpartnern. 120 Anwendungsspezialisten verfĂźgen Ăźber umfangreiches technisches Fachwissen und Design-Know-how. Das logistische RĂźckgrat von EBV, Avnet Logistics, bietet Lagerservices, LogistiklĂśsungen und Mehrwertdienstleitungen wie Programmierung, Gurtung oder Laser-Marking. EBV verfĂźgt Ăźber 59 Niederlassungen in 28 LĂ¤ndern in EMEA (Europe, Middle East, Africa).

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Megalink Eco 7.11.20085 16:07:35 Uhr

Kurzmeldungen

Neue Geschäftsmodelle dank Energieeffizienz

dern. Finanzinstitute verstärken diesen Trend, indem sie immer mehr nachhaltige Produkte anbieten, wie zum Beispiel vergünstigte Hypothekarkredite für energieeffizientes Bauen. Um selber glaubwürdig zu sein, integrieren sie zunehmend Umweltmanagementsysteme in den eigenen Betrieb. Beim Individualverkehr prognostiziert das ETH Energy Science Center Zürich eine schrittweise Hybridisierung des Automobils in den nächsten 30 Jahren, wobei an der Steckdose aufladbare Modelle die grössten Zukunftschancen haben («Plug in»Hybrid). Biokraftstoffe sind beschränkt einsetzbar, da ihre Gesamtökobilanz meist eher negativ ist. In der IT heisst der Trend: Weiternutzung der Energie. Anstatt zum Beispiel in Rechenzentren produzierte Abwärme teuer zu vernichten, will man mit ihr Gebäude heizen. Möglich wird dies durch Mikrowasserkühlung direkt auf dem Chip – denn WasSensorik ser kann Wärme sehr viel besser abtransportieren als die Luft. Steuerungstechnik

Immer mehr Unternehmen bieten grüne Lösungen an und reagieren damit auf die steigenden Strompreise, die Energieknappheit und die Klimaveränderung. Damit sparen sie Kosten und nehmen zugleich ihre soziale Verantwortung wahr. Im neusten Innovations-Report Swiss Innovation Outlook «Energieeffizienz – mehr als grüne Mode» präsentiert IBM die Trends und Technologien, welche derzeit die Schweizer Wirtschaft prägen. Er konzentriert sich auf den Finanzbereich, den Individualverkehr und die Informationstechnologie. Im Finanzbereich hat demnach ein Umdenken eingesetzt: Immer mehr Investoren nutzen ihr Geld bewusst als Hebel, nachhaltiges Wirtschaften in Unternehmen zu fördern und zu for-

automation

Netzwerke

Ressourcen schonen

Antriebstechnik

In den nächsten Jahren wird der Strompreis in der Schweiz deutlich steigen. Diese Prognose sowie der drohende Klimawandel bewegen immer mehr Unternehmen dazu, ressourcenschonende Prozesse in ihre Strategien zu integrieren. Damit reagieren die Wirtschaftsführer auch auf die Anforderungen von Kunden und Mitarbeitenden, vom Marktumfeld sowie vom Gesetzgeber. Ökologisch denkende Unternehmen möchten so nicht nur ihre Rendite sichern, sondern auch ihren guten Ruf. Künftige Generationen wachsen mit einem andern Bewusstsein in Bezug auf unser Ökosystem heran. Nur schon aus dieser Perspektive prognostiziert IBM dem Thema Energieeffizienz Nachhaltigkeit. „Wir glauben, dass das Thema Grün uns in Zukunft mindestens ebenso sehr beschäftigen wird wie die grossen Entwicklungen der letzten Zeit: die IT-Revolution und die Globalisierung“, erklärt Hendrik Lang, Green Program Leader von IBM Schweiz.

Bedien- und Visualisierungssysteme Software Beratung und Engineering Schulungen

Wer hoch hinaus will, setzt auf Sicherheit. In bestimmten Situationen hat Sicherheit Priorität. Dies gilt auch für die Steuerung von Maschinen und Anlagen. Da setzen Sie auf ein ausgereiftes System, weil Sie wissen, dass es alle individuellen Anforderungen erfüllt. Ein System, auf das Sie sich verlassen können. In der Sicherheitstechnik sind wir mit unserer breiten Produktrange der führende Anbieter. So setzen wir immer wieder Massstäbe, die sich in innovativen und offenen Systemen, wie der PSSuniversal widerspiegeln: einer Steuerungsplattform für Sicherheits- und StandardSteuerungstechnik. Kein Wunder, dass immer mehr Kunden Pilz auch als Partner für die komplette Automatisierungstechnik sehen.

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the spirit of safety

ABB erhält Solarenergie-Auftrag über 36 Millionen US-Dollar in China ABB hat von LKD Solar, Produzent von multikristallinen Solarwafern, einen Auftrag im Wert von über 36 Millionen US-Dollar für elektrische Systeme, Ausrüstung und das zugehörige Engineering und Projektmanagement für eine neue Produktionsstätte in Xinyu City in China erhalten. Nach der Fertigstellung wird das Polysiliziumwerk mit einer Produktionskapazität von 15000 Jahrestonnen die grösste Anlage dieser Art in Asien sein. Polysilizium ist das Ausgangsmaterial für die Herstellung von Solarzellen, mit denen Sonnenlicht in Elektrizität umgewandelt wird. Als Hauptauftragnehmer für den elektrotechnischen Bereich (Main Electrical Contractor, MEC) für das Projekt stellt ABB Ausrüstung und Serviceleistungen für die Elektrifizierung der Anlage bereit, um eine zuverlässige Stromversorgung zu gewährleisten. Der Lieferumfang umfasst Niederund Mittelspannungsschaltanlagen, Verteilungstransformatoren sowie Projektplanung, Engineering und andere Dienstleistungen. Die erste Produktionslinie soll im vierten Quartal 2008 fertiggestellt werden, und für 2009 wird ein Produktionsvolumen von 5000 bis 7000 Tonnen Polysilizium erwartet. ABB, www.ch.abb.com

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Energie

In der Prozess- und Fertigungsindustrie sind zwar Prozessleitsysteme Stand der Technik, aber bei der Kontrolle der Versorgung mit Strom, Gas oder Wasser gibt man sich oft mit Informationen des jeweiligen Versorgers zufrieden. Steigende Energiekosten erfordern jedoch mehr Transparenz. Folgende Tipps helfen bei der Einführung eines Energiemanagementsystems, schonen die Ressourcen und halten die Kosten niedrig.

er ein Energiemanagement

W rund um die Energieversorgung eines Betriebs etablieren will, muss zu allererst einige grundsätzliche Weichenstellungen vornehmen. Diese betreffen Ablauf und Organisation innerhalb des Unternehmens. Denn sowohl die Mitarbeiter als auch die Unternehmensführung müssen intensiv mit eingebunden werden. Der Wunsch nach einer Effizienzsteigerung in punkto Energieverbrauch muss bei allen Beteiligten vorhanden sein. Dies geschieht am besten über die Verankerung eines Leitmotivs in den Geschäftszielen – vorgegeben von der Geschäftsführung. Dementsprechend müssen Strukturen und Verantwortlichkeiten aufgebaut beziehungsweise angepasst werden. Gute Ergebnisse

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hat bisher die Anlehnung an die Qualitätsnormen beziehungsweise die Verbindung mit der Qualitätsmanagement(QM)-Organisation des Unternehmens gebracht. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Bereitstellung der notwendigen Kenntnisse, sowohl für die Initiierungsphase und die erforderlichen Schritte als auch für den Betrieb des implementierten Energiemanagementsystems. Für die Projektphase der Initiierung bietet sich die Zusammenarbeit mit externen Beratern an, die gegebenenfalls auch die Schulung der später mit der Thematik befassten Mitarbeiter durchführen können.

Hohe Transparenz ist der Schlüssel zum Erfolg Sobald der Energie-Optimierungsprozess auf der organisatorischen Seite läuft, müssen klare Ausgangsdaten ermittelt werden. Das bedeutet, die Effizienzsteigerung beim Energieverbrauch, die Reduzierung der Kosten beziehungsweise des Verbrauchs oder die Verringerung der Emissionen stellen wichtige Benchmarks dar. Diese gilt es genau zu beziffern, um den Erfolg der gesamten Initiative in einer Vorher-Nachher-Darstellung aufzeigen zu können. Dafür sind technische Massnahmen wie die

Die Transparenz der Energieflüsse gehört zu den wichtigsten Parametern auf dem Weg zu einem effizienten Umgang mit Ressourcen.

Installation eines Energiemanagementsystems notwendig. Vor der Planung des Energiemanagementsystems sind allerdings einige Vorüberlegungen notwendig. Beispielsweise müssen der aktuelle Stand dokumentiert und erste Daten gesammelt werden: • Welche Energieformen zu welchen Kosten? • Sichten vorhandener Dokumentationen • Rechnungen • Pläne von Gebäuden und Anlagen • Energieverbrauch und zeitlicher Verlauf

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Energie

Begriffserklärung zum Thema Energiemanagement Bei der Beschäftigung mit dem Thema Energiemanagement fällt die Verwendung unterschiedlicher Begriffe in der Literatur oder in Vorträgen auf. Energiemanagement

Energiemanagement ist die vorausschauende, organisierte und systematisierte Koordinierung von Beschaffung, Wandlung, Verteilung und Nutzung von Energie zur Deckung der Anforderung unter Berücksichtigung ökologischer und ökonomischer Zielsetzung. Der Begriff beschreibt damit das Handeln zum Zweck des effizienten Umgangs mit Energie. Energiemanagementsystem (EMS) Der Begriff Energiemanagementsystem (EMS) umfasst die zur Verwirklichung des Energiemanagements erforderlichen Organisations- und Informationsstrukturen einschliesslich der hierzu benötigten technischen Hilfsmittel (z. B. Soft- und Hardware). Energiemanagement-Informationssystem Die Begriffe Energiemanagement und Energiemanagementsystem werden oftmals vereinfachend zur Beschreibung eines Energiemanagement-Informationssystems verwendet, das jedoch in der gesamten Thematik lediglich ein technisches Hilfsmittel, bestehend aus Hard- und Software, sein wird. Auch der Begriff Power Monitoring System (PMS) wird an verschiedenen Stellen verwendet.

• Wen vermutet man als Verursacher von Spitzenlasten? • Spielt der zeitliche Verlauf von Prozessen eine Rolle?

• Woher kommt die Grundlast des Unternehmens? • Ist ein Vergleich mit vergangenen Messperioden möglich?

Die Ganglinien-Darstellung visualisiert sehr anschaulich, welche Verbraucher zu den «Sorgenkindern» gehören beziehungsweise «wo der Energie-Schuh am meisten drückt».

Das Schaubild zeigt die Prozesskette eines systematischen Energiemanagements von der Initiative bis zur erfolgreichen Umsetzung von Massnahmen im kontinuierlichen Verbesserungsprozess.

Eine erste Auswertung lässt vielleicht schon Sparpotenziale erkennen. In der Regel wird man aber wegen der fehlenden Transparenz beim Energieverbrauch keine Detailaussagen machen können. Schnell wird erkennbar, dass die Fragen ohne ein Energiemanagementsystem nicht oder nur unvollständig beantwortet werden können. Mit Hilfe der genannten Dokumente kann die Einführung des Systems näher und detaillierter vorbereitet werden. Es ist zu empfehlen, die Energiearten in Checklisten mit dem jeweiligen Verbrauch aufzulisten. Dabei sollte man die Versorgungswege und Räumlichkeiten sehr genau kennen beziehungsweise definieren. Diese Informationen und die beschriebenen Vorbereitungen ermöglichen die Planung des Energiemanagementsystems. Die geforderten Systemeigenschaften werden sinnvoller Weise als Pflichtenheft formuliert.

Energiemanagementsysteme mit viel Umsicht planen Grundsätzlich muss entschieden werden, ob die Messdaten offline oder online erfasst werden sollen. Offline bedeutet einen

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Energie

Ein funktionierendes Energiemanagement basiert auf Hardund Software. In der Feldebene werden die Daten über kommunikationsfähige Geräte erfasst, auf der Steuerungsebene erfolgt die Auswertung und spätere Energieeffizienzoptimierung.

geringen Vernetzungsgrad der einzelnen Messstellen, denn die Werte können manuell erfasst werden. Diese Methode wird auch genutzt, wenn nur eine langsame Datenübertragung realisierbar ist und die Daten in der Messstelle gespeichert werden müssen. Ein Online-System erfasst dagegen alle Messwerte automatisch und überträgt diese zeitnah an ein oder mehrere Auswerteplätze. Dort erfolgt die Archivierung und Darstellung. Ein solches System ist zu bevorzugen, da auf die Messungen umgehend reagiert werden kann. In dieser Planungsphase erfolgt die Festlegung der Messstellen nach räumlicher Lage und Bedeutung in der Gesamtanlage. Ausserdem wird die Hierarchie der Messungen festgelegt, denn die Anzahl der Messungen steigt schnell mit dem gewählten Detaillierungsgrad. Im nächsten Schritt werden die notwendigen Datenwege von den Messstellen zur Auswertung

untersucht. Zu prüfen ist, ob und welche Bussysteme und Kabeltrassen bereits vorhanden sind. Im industriellen Umfeld sind Profibus oder Modbus als Bussysteme verbreitet. Ein entscheidender Punkt beim Aufbau eines Energiemanagements ist der Einsatz kommunikationsfähiger Messgeräte und Schalter. Anlagenplaner tun also gut daran, bei Neubau oder Ersatz beziehungsweise Retrofit darauf zu achten, dass die eingesetzten Komponenten kommunikationsfähig sind beziehungsweise mit Kommunikationsmodulen nachrüstbar sind. Der Sector Industry von Siemens zum Beispiel ist als «Allround-Automatisierer» auch Anbieter von Power Monitoring Devices und Schaltgeräten mit ProfibusSchnittstellen, die über und mit Standardkomponenten der Automatisierungstechnik kommunizieren können. Damit lassen sich proprietäre Sonderlösungen vermeiden, was sowohl die Pflege als auch die Erweiterung vereinfacht. Das Bedien- und Beobachtungssystem (B&B oder HMI, Human Machine Interface) mit seinen Archiv- und Reportfunktionen ermöglicht die Visualisierung der Energieflüsse in der gewünschten Systemtiefe. Auch hier ist es ratsam, Standards zu verwenden, die eine spätere Systemerweiterung und Pflege vereinfachen.

Systementscheidung reduziert den Aufwand Zu Beginn aller weiteren Überlegungen muss man die später

Mit geeigneten Checklisten bekommt man einen Überblick, um welche Energiemengen beziehungsweise Verbrauchswerte es geht. Damit lässt sich bereits der Kurs festlegen, der zu den vielversprechenden Energiesparmassnahmen beziehungsweise Kostenreduzierungen führt.

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notwendigen Systemfunktionen innerhalb des Energiemanagements festlegen. Diese ergeben sich aus den zu Anfang definierten Unternehmenszielen. Eine besonders praktische Darstellung sind beispielsweise Ganglinien. Diese fassen die Messwerte so übersichtlich in einer Kurve zusammen, dass selbst Nicht-Fachleute schnell beurteilen können, «wo der Energie-Schuh drückt». Für die betriebsinterne Kommunikation eignen sich Berichte mit standardisierten Grafiken und Zahlenreihen. Diese ermöglichen den Entscheidern einen Zugang zu Messdaten, ohne das Energiemanagementsystem selbst bedienen zu müssen. Solche Berichte sollten vom System automatisch zu definierten Zeiten generiert werden, damit sie regelmässig und aktuell zur Verfügung stehen. Eine in der Software integrierte Kostenstellensystematik ermöglicht die zeitnahe und genaue Verteilung auf die betreffenden Kostenstellen. Gegenüber der Nutzung eines mathematischen Verteilungsschlüssels wird auch bei den Kosten eine hohe Transparenz erreicht. Damit wird die betriebswirtschaftliche Effizienz der Teilbereiche im Unternehmen deutlich und Optimierungspotenzial entsprechend sichtbar. Ein integriertes Meldesystem informiert über den aktuellen Anlagenzustand und gibt Auskunft über die zeitliche Folge und die Wichtigkeit von Meldungen. Zum Beispiel interessieren den Instandhalter die Schalthäufigkeit, um daraus seine Wartungsintervalle abzuleiten. Ihn interessieren auch die Leistungen einzelner Abgänge oder Maschinen, um diese zu einem späteren Zeitpunkt mit den aktuellen Werten zu vergleichen. Bei Abweichungen kann er reagieren, den betreffenden Antrieb schmieren oder die gemessene Wasserleitung auf Dichtheit prüfen. Manches Energiemanagement hat

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In einer Welt voller intelligenter Gebäude, Fabriken, Häuser und Stromnetze können Energieverbrauch und Preise gesenkt werden, bei gleichzeitiger Verbesserung von Qualität und Produktivität. Energieeinsparungen in Städten und Gemeinden – vom Privathaus über das Bürogebäude bis hin zur Strassenbeleuchtung – von 50% und mehr sind realisierbar mit intelligenter Vernetzung durch Echelons LonWorks® Technologie von EBV Elektronik. Ecomise your city! Weitere Informationen erhalten Sie von Ihrem EBV Partner vor Ort oder unter www.ebv.com/emosieit

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Sensorik

Standardisierte Zahlenreihen ermöglichen den Entscheidern einen Zugang zu Messdaten, ohne das Energiemanagementsystem selbst bedienen zu müssen.

Lüftertechnik sich schon beim frühzeitigen Erkennen eines Wasserrohrbruchs bezahlt gemacht.

Verantwortlichkeiten im Betrieb

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Nach der Montage und Inbetriebnahme des Energiemanagementsystems erfolgt die Betriebsphase und es zeigt sich, ob die Erwartungen erfüllt wurden. Oftmals übernimmt der Instandhaltungsleiter die technische Verantwortung für das System und ihm obliegen die eigentliche Bedienung und die Beobachtung des aktuellen Zustandes der Energieversorgung. Die weiteren Verantwortlichen ergeben sich aus der jeweiligen Aufbau- und Ablauforganisation des Unternehmens und den unterschiedlichen Aufgaben beim Betrieb eines Energiemanagementsystems. Die folgenden Fragen müssen spätestens geklärt werden, wenn sie in der Planungsphase nicht berücksichtigt wurden: • Wer übernimmt die regelmässigen Auswertungen der jetzt anfallenden Daten? • Wer berichtet an wen und erstellt die entsprechenden Reports? • Wer verantwortet die Kostenstellenzuordnung im Unternehmen und zieht die notwendigen Konsequenzen? Zu den Konsequenzen gehört die Ideenfindung und die Umsetzung notwendiger Massnahmen, aber auch die Initiierung von Verhal-

tensänderungen der Mitarbeiter. Erkannte Ideen und Massnahmen werden auf Durchführbarkeit, Wirtschaftlichkeit und mögliche unerwünschte Quereffekte untersucht. Nach einer Umsetzung von Massnahmen helfen die Daten des Energiemanagementsystems, den Erfolg und die Ergebnisse zu dokumentieren.

Systemdenken erleichtert den Einstieg Der schonende Umgang mit Ressourcen und die dazu notwendige Darstellung des aktuellen IstZustands sind Themen, denen sich Produktionsbetriebe und andere Unternehmen auf lange Sicht öffnen müssen. Vor diesem Hintergrund ist es sinnvoll, rechtzeitig über Massnahmen nachzudenken, die Energieströme erfassen, darstellen und gegebenenfalls optimieren können. Zur Steigerung der Effizienz beim Energieeinsatz ist die Transparenz von Verbrauch und dessen zeitlichen Verlaufs eine wichtige, wenn nicht sogar zwingende Voraussetzung. Anwender müssen darauf achten, dass die organisatorischen Prozesse und die eingesetzte Technik – zum Beispiel kommunikationsfähige Messgeräte – mit[pm] einander harmonieren.

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ABB verfolgt bei der Entwicklung ihrer Motoren einen lebenszyklusorientierten Ansatz.

Mit Hochwirkungsgrad-Elektromotoren lassen sich erhebliche Energieeinsparungen erzielen. Doch neben dem Wirkungsgrad gibt es noch weitere wichtige Eigenschaften zu berücksichtigen. Dazu gehören zum Beispiel die Eignung für die jeweilige Anwendung, die korrekte Dimensionierung sowie die Zuverlässigkeit von Lagern und Wicklungen. ochwirkungsgrad-Motoren

H bieten entscheidende Vorteile. Sie helfen dabei, die Energiekosten zu senken und den Kohlendioxidausstoss zu mindern. Innerhalb der EU ist mit Einführung des Europäischen Wirkungsgrad-Klassifizierungssystems das Thema Energieeffizienz verstärkt in den Mittelpunkt des Interesses gerückt. Das System sieht die Einteilung von Motoren in drei Effizienz- oder Wirkungsgradklassen EFF1 bis EFF3 vor, wobei EFF1 die höchste Klasse darstellt. Das System hat erfolgreich dazu beigetragen, die Zahl der Motoren mit niedrigem Wir-

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kungsgrad auf dem Markt zu reduzieren. Mittlerweile ist die Wirkungsgradklasse EFF1 für viele nicht nur ein Kennzeichen für hohe Effizienz, sondern gilt als generelles Qualitätsmerkmal. Zurzeit wird das Klassifizierungssystem im Hinblick auf eine Vereinheitlichung der Prüfmethoden für den Wirkungsgrad weiterentwickelt, damit sich Motoren verschiedener Hersteller leichter miteinander vergleichen lassen.

Faktoren zur Optimierung Bei der Konstruktion und Fertigung von zuverlässigen Motoren mit einem guten Hochlauf- und

Betriebsverhalten muss eine Vielzahl verschiedener Faktoren berücksichtigt werden. Dazu gehören neben dem Wirkungsgrad und den Kosten auch das Lager-, Nut- und Lüfter-Design sowie die Erwärmung, Vibrationen und Geräusche. Nur die richtige Balance zwischen diesen Faktoren führt zu einem hochwertigen, effizienten und zuverlässigen Motor mit einer langen Lebensdauer und optimalem Gewicht. Statt sich ausschliesslich auf den Wirkungsgrad zu konzentrieren, verfolgt ABB bei der Entwicklung ihrer Motoren einen lebenszyklusorientierten Ansatz. Dabei wird

Antriebstechnik

versucht, die Produktvorteile über die gesamte Lebensdauer hinweg zu maximieren und gleichzeitig die Kosten zu minimieren. Neben dem Wirkungsgrad spielt die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit beim Lebenszyklus-Ansatz eine besondere Rolle. Die Energiekosten machen normalerweise den grössten Teil der Lebenszykluskosten aus. Steigende Energiepreise rücken das Thema Energieverbrauch und Wirkungsgrad ins Zentrum des Interesses. In vielen Teilen der Welt werden staatliche Programme ins Leben gerufen, die den Einsatz effizienter Motoren in der Industrie fördern. Dies hat dazu geführt, dass einige Hersteller versuchen, ausschliesslich den Wirkungsgrad ihrer Produkte um jeden Preis zu erhöhen, und dabei andere für die Gesamtleistung wichtige Aspekte ausser Acht lassen.

Effizienz als Design-Ziel Für ABB liegt der Schlüssel zum Bau effizienter Motoren mit niedrigen Gesamtlebenszykluskosten in der Sicherung einer hohen Qualität in jeder Phase des Designs und der Fertigung. Der Wirkungsrad ist ein Mass für die Fähigkeit eines Motors, elektrische Energie in Nutzarbeit umzuwandeln. Die dabei entstehenden Verluste werden in Form von Wärme abgegeben. Um den Wir-

Elektromotor vom Typ M3BP in der Schnittdarstellung.

kungsgrad zu erhöhen, müssen diese Verluste reduziert werden. Motorverluste lassen sich in fünf Hauptkategorien einteilen. Zwei dieser Verlustarten – Eisenverluste im Rotor- und Statorblech sowie Lüftungs- und Lagerreibungsverluste – gehören zu den sogenannten Leerlaufverlusten, da sie unabhängig von der Last immer konstant bleiben. Zu den Lastverlusten, die mit der Last variieren, gehören Kupferverluste im Stator, Rotorverluste und lastabhängige Zusatzverluste (Box: Aufteilung der Verluste). Sämtliche Motorverluste können durch konstruktive Massnahmen, d. h.

Aufteilung der Verluste in einem ABB-Motor vom Typ M3BP Leerlaufverluste: Eisenverluste im magnetischen Material: 18% Lüftungs- und Reibungsverluste: 10% Lastverluste: Stromwärmeverluste im Stator: 34% Stromwärmeverluste im Rotor: 24% Zusatzverluste: 14%

durch die Qualität des Designund Fertigungsprozesses beeinflusst werden.

Die Verluste senken Eisenverluste entstehen durch die Energie, die beim Ummagnetisieren der Bleche aufgebracht werden muss. Diese Verluste lassen sich durch Verwendung von hochwertigerem Eisen und durch Verlängerung der Blechpakete (zur Reduzierung der Magnetflussdichte) senken. Lüftungs- und Reibungsverluste entstehen durch Luftwiderstand und Lagerreibung. In hochwerti gen Motoren werden diese

Lager-Checkliste Um eine optimale Zuverlässigkeit des Motors zu gewährleisten, sollten die Lager: • von hoher Qualität sein • entsprechend der Last und Drehzahl dimensioniert sein • ein für die Betriebstemperatur geeignetes Innenspiel besitzen • mit einem für die Betriebstemperatur ausgelegten Fett geschmiert werden • nachschmierbar oder wenn möglich wartungsfrei sein

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Antriebstechnik

Hochwertige Motoren leisten mehr.

durch verbesserte Lager und Dichtungen sowie eine optimierte Luftströmung und ein verbessertes Lüfter-Design reduziert. Der Lüfter muss gross genug sein, um eine ausreichende Kühlung zu gewährleisten, darf aber nicht zu gross ausfallen, da sonst seine Effizienz beeinträchtigt wird und der Geräuschpegel steigt. Bei den lastabhängigen Verlusten werden die Kupferverluste im Stator (auch I2R-Verluste ge-

nannt) durch die Erwärmung der Statorwicklung infolge des Stromflusses in den Spulen hervorgerufen. Dies lässt sich durch Optimierung der Statornut reduzieren. Die Statorbleche sollten aus verlustarmem Eisen bestehen und so gleichmässig und dünn wie möglich sein, um eine maximale Magnetfeldstärke zu gewährleisten. Ferner sollten sie sorgfältig geschichtet werden, um möglichst gerade Kanäle zu erhalten. Allerdings sind dünne Bleche teurer in der Herstellung als dickere, und für eine präzise Ausrichtung sind speziellere Fertigungsverfahren notwendig. Rotorverluste werden durch Rotorströme und Eisenverluste verursacht. Bei hocheffizienten Motoren werden diese Verluste mit Hilfe grösserer Rotorstäbe und Kurzschlussringe (zur Senkung des Widerstands) reduziert. Lastabhängige Zusatzverluste sind die Folge von Streuflüssen, die durch die Lastströme erregt werden. Diese lassen sich durch eine verbesserte Nutgeometrie reduzieren.

Verschiedene Faktoren der Zuverlässigkeit In einigen Industriezweigen und Prozessen hat eine hohe Zuverlässigkeit oberste Priorität. In kontinuierlichen Prozessen – z. B. in Kühlanlagen der Öl- und Gasindustrie oder bei Antrieben von Papiermaschinen – müssen ungeplante Ausfälle um jeden Preis vermieden werden. Schon ein Stillstand von wenigen Minuten

Eigenschaften einer guten Wicklung Zu den Eigenschaften einer guten Wicklung gehören: • kompakte Wicklung mit einem guten Nutfüllgrad • kleiner Wickelkopf • hochwertiger Kupferdraht • hochwertige Wicklungssysteme • hochwertige Nutisolierung, Imprägnierung und Phasenisolierung

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kann hier so teuer werden wie ein neuer Motor. Zuverlässigkeit ist auch ein bedeutender Faktor für OEM-Hersteller, die Elektromotoren in ihre eigenen Produkte einbauen. Fällt ein solcher Motor aus, gilt das Produkt des Herstellers als unzuverlässig und sein guter Ruf leidet darunter. Hier ist Qualität der Schlüssel zum Erfolg. Dies gilt besonders für das verwendete Material. Da mit rund 55% mehr als die Hälfte der Kosten für einen Motor auf das Material entfallen, ist die Versuchung gross, dort zu sparen, um den Preis des Motors zu drücken, was sich jedoch entscheidend auf die Zuverlässigkeit auswirkt. Die beiden häufigsten Ursachen für Motorausfälle sind Lager- und Wicklungsschäden, d. h. diese Komponenten spielen eine zentrale Rolle für die Gesamtzuverlässigkeit eines Motors. Niedrige Temperaturen Sowohl im Fall der Lager als auch bei den Wicklungen hat die Betriebstemperatur im Motor den grössten Einfluss auf ihre Lebensdauer. Bei hochwertigen, effizienten Motoren beträgt die normale Erwärmung bei Volllast 60–80°C, während es bei weniger hochwertigen Motoren bis zu 100°C sein können. Nur Motoren, die für einen grösseren Temperaturanstieg ausgelegt sind und über eine geeignete Isolierung verfügen, können einer höheren Belastung länger standhalten.

Antriebstechnik

Um eine bestmĂśgliche ZuverlĂ¤ssigkeit sicherzustellen, sollten mĂśglichst hochwertige Lager verbaut werden (Box: Lager-Checkliste). Dabei muss nicht nur die Art der Anwendung und die jeweilige Last berĂźcksichtigt, sondern auch eine geeignete Schmierung sichergestellt werden. Da hohe Temperaturen die Wirkung von Schmierfett beeintrĂ¤chtigen, sollte ein ĂźbermĂ¤ssiger Temperaturanstieg vermieden werden. Bei einer Senkung der Betriebstemperatur um 10â&#x20AC;&#x201C;15Â°C verdoppelt sich â&#x20AC;&#x201C; zumindest theoretisch â&#x20AC;&#x201C; die Lebensdauer der Lagerschmierung. Ă&#x153;bermĂ¤ssige Motorinnentemperaturen wirken sich auch auf die Lebensdauer der Wicklungen aus. In diesem Fall ist es die Isolierung der KupferdrĂ¤hte, die durch die hohen Temperaturen beeintrĂ¤chtigt wird. Ein Anstieg der Betriebstemperatur von 10Â°C kann

die Lebensdauer der Wicklung halbieren. Aus diesem Grund werden die meisten Motoren mit einer Isolierung der Klasse F (155Â°C) ausgestattet, betriebsmĂ¤ssig aber nur fĂźr die Klasse B (130Â°C) beansprucht. Die ErwĂ¤rmung ist ein Aspekt der LeistungsfĂ¤higkeit eines Motors, an dem stĂ¤ndig weitererforscht wird (Box: Drei MĂśglichkeiten zur Steigerung der Energieeffizienz). Spannungsfestigkeit Ein weiterer Faktor, der fĂźr die ZuverlĂ¤ssigkeit der Wicklung eine Rolle spielt, ist die Festigkeit. Sie ist ein Mass fĂźr das WiderstandsvermĂśgen der Wicklung gegen hohe Spannungen. Die normale Spannungsfestigkeit von Wicklungen betrĂ¤gt etwa 1200 V, es kĂśnnen aber auch Motoren mit einer Spannungsfestigkeit von 1400 V und mehr hergestellt werden, wenn die Wicklung hĂśheren Span-

nungsspitzen standhalten muss, wie sie zum Beispiel bei einigen drehzahlgeregelten Antrieben erzeugt werden (Box: Eigenschaften einer guten Wicklung). Dabei sollte stets beachtet werden, dass die ZuverlĂ¤ssigkeit je nach Einsatzbereich des Motors einen anderen Stellenwert haben kann. In der Ă&#x2013;l- und Gasindustrie zum Beispiel steht die Sicherheit fĂźr den Betreiber an erster Stelle. Motoren werden hĂ¤ufig unter rauen Bedingungen eingesetzt, wo sie extremer Hitze oder KĂ¤lte, Staub und Feuchtigkeit ausgesetzt sind. ABB verfĂźgt Ăźber umfangreiche Erfahrung in der Herstellung von Motoren sowohl fĂźr gewĂśhnliche Industrieumgebungen als auch fĂźr den Einsatz unter extremen Bedingungen. Diese Erfahrung fliesst in die Entwicklung und Fertigung hochwertiger Motoren ein, die nicht nur defi nierte Anforderungen und

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Drei Möglichkeiten zur Steigerung der Energieeffizienz

Neuwicklung vermeiden Die Neuwicklung von Elektromotoren führt normalerweise zu einer Reduzierung des Wirkungsgrads. Bei Motoren über 30 kW kann sich der Wirkungsgrad um 1%, bei kleineren Motoren um 2% verschlechtern. Bei hochwertigen Motoren fällt die Reduktion des Wirkungsgrads weniger stark aus als bei Motoren geringerer Qualität.

Überdimensionierung vermeiden Aus den verschiedensten Gründen bieten einige Hersteller überdimensionierte Motoren an. Feldversuche in der Industrie haben gezeigt, dass die meisten Motoren im Durchschnitt nur mit 50–60% ihrer Nennlast betrieben werden, was – neben anderen Nachteilen – unwirtschaftlich ist (Teillasteffizienz). Der Austausch von deutlich unter der Nennlast betriebenen Motoren gegen kleinere, effizientere Typen trägt im Allgemeinen zur Verbesserung der Gesamteffizienz bei.

Drehzahlgeregelte Antriebe verwenden Der Einsatz eines hocheffizienten Motors ist weniger vorteilhaft, wenn der Rest des Antriebssystems ineffizient arbeitet. In vielen Pumpen- und Lüfteranwendungen wird der Durchsatz noch immer über Drosselklappen geregelt. Motoren auch dann mit voller Drehzahl zu betreiben, wenn nur geringere Drehzahlen benötigt werden, ist extrem unwirtschaftlich. Drehzahlgeregelte Antriebe ermöglichen eine optimale Regelung der Drehzahl, was zu erheblichen Energieeinsparungen führt. Eine kürzlich an der Universität von Lappeenranta in Finnland durchgeführte Studie hat gezeigt, dass sich durch den Einsatz von elektrischen Antrieben in parallelen Pumpensystemen Energieeinsparungen von bis zu 70% erzielen lassen. Neben Elektromotoren ist ABB auch ein führender Anbieter von drehzahlgeregelten Antrieben.

Sicherheitsvorgaben erfüllen, sondern auch über ihre gesamte Lebensdauer hinweg effizient und zuverlässig arbeiten.

Hochwertige Motoren leisten mehr Als die «Arbeitspferde» der modernen Industrie können Elektromotoren bei den Bemühungen um eine Reduzierung des Energieverbrauchs und des Kohlendioxidausstosses eine wichtige Rolle spielen. Laut Schätzungen werden 65% der erzeugten elektrischen Energie in der Industrie von Elektromotoren verbraucht. Zur Erzeugung derselben Energie werden jährlich 37 Millionen Tonnen CO2 produziert. Angesichts dieser Zahlen hätte selbst eine kleine Steigerung des Wirkungsgrads jedes Motors global gesehen eine günstige Wirkung. Der Wirkungsgrad ist nur ein Qualitätsmerkmal eines Motors, und die Energiekosten

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machen nur ein Teil der Gesamtlebenszykluskosten aus. In manchen Anwendungen spielen die Zuverlässigkeit und die damit verbundenen Instandhaltungskosten bzw. Ausfallzeiten eine zentrale Rolle. Dank langjähriger Erfahrung ist ABB in der Lage, optimale Motoren

hinsichtlich Betriebsverhalten, Wirkungsgrad, Gewicht, Erwärmung, Geräuschen und Schwingungsverhalten zu bauen. Das Ergebnis sind hochwertige Motoren, die sich durch minimale Lebenszykluskosten und eine hervorragende Gesamtleistung auszeichnen. [tm]

Infos Autoren Roelof Timmer ABB Oy, Automation Technologies Helsinki, Finnland roelof.timmer@fi.abb.com Mikko Helinko Ritva Eskola ABB Oy, Motors Vaasa, Finnland mikko.helinko@fi.abb.com ritva.eskola@fi.abb.com

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Antriebstechnik

Ob drehzahlvariable Pumpen, intelligente Ventile, verlustarme Antriebe, reibungsarme Linearführungen oder flexible Steuerungen – es gibt bereits Produkte und Technologien, die den Einsatz von Energie effizienter gestalten. Sie müssen aber in Bereichen eingesetzt werden, die bislang nicht im Mittelpunkt des Interesses standen.

ie Steigerung der Produktivi-

D tät gehört zu den Zielen jedes

Unternehmens. Je höher die Energiekosten klettern, desto grösser wird auch das Interesse an der Verbesserung der Energieproduktivität. Der etwas sperrige Begriff beschreibt das Verhältnis zwischen Energieverbrauch und Produktion. Hier hat die Wirtschaft bereits gute Fortschritte gemacht: Zwischen 1990 und 2006 ist der Primärenergieverbrauch zum Beispiel in Deutschland um drei Prozent gesunken, während die Wirtschaftsleistung (BIP) gleichzeitig um 27 Prozent angestiegen ist. Durch effizientere Verfahren wurde deutlich mehr produziert, ohne mehr Energie zu verbrauchen.

Industrie bietet grosse Sparpotenziale Die Steigerung der Energieproduktivität um gut ein Drittel ist nach dem Willen der deutschen

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58 Prozent. Von einem ProduktiviRegierung aber nur der Anfang. tätssprung würden die meisten Bis 2020 wird eine Verdoppelung Unternehmen sogar unmittelbar angestrebt. Dann soll in Relation profitieren. Immerhin zum Bruttoinlandsmachen Energieausprodukt nur noch halb «Um ein Maximum so viel Energie ver- an Energieeffizienz zu erreichen, gaben mehr als die müssen bei Hälfte der Lebenszybraucht werden wie intelligenten Lösungen kluskosten von Ma1990. Die Einsparpounterschiedliche Technologien schinen und Anlagen tenziale der Industrie perfekt zusammenspielen.» aus. Eine spürbare sind enorm. Rund Senkung des Ver42 Prozent des Enerbrauchs erhöht somit die Wettbegieverbrauchs in Deutschland entwerbsfähigkeit nachhaltig. fallen auf die Produktion von WaSchon einfache Kosten-Nutzenren und Dienstleistungen. Private Rechnungen sprechen für InvestiHaushalte und der Verkehrssektor tionen in die Energieproduktiviteilen sich die verbleibenden

Antriebstechnik

tät. Hinzu kommt aber, dass sich Unternehmen auf vermehrte staatliche Vorgaben einstellen müssen: Die EU-Richtlinie für «Energy using Products» (EuP) ist nur ein Vorzeichen für künftige Effizienzregeln. Ähnlich wie bei den Abgasnormen für Verbrennungsmotoren werden in den kommenden Jahren Grenzwerte dafür sorgen, dass neue Komponenten und Maschinen effizienter mit der eingesetzten Energie umgehen.

motor alleine nur einen Teil der möglichen Ersparnis bringt. Mithilfe einer lastabhängigen Antriebsregelung reduziert sogar ein Modell mit schlechterer Wirkungsgradklasse den Stromverbrauch mehr als ein ungeregelter Elektromotor, der auf der dreistufigen Skala des CemepVerbandes die höchste EnergieEffizienz-Stufe EFF1 erreicht. Erst die Kombination aus innovativem Antrieb und moderner Steuerung bringt somit den maximalen Effizienzgewinn.

Gemeinsam variabel reagieren Drehzahlvariable Pumpen, intelligente Druckregelventile, Miniaturisierung, wälzgelagerte Line arführungen mit geringen Reibungswiderständen oder intelligente Servoantriebe sind der Schlüssel, um die Energieproduktivität der Nebenprozesse nachhaltig zu steigern. Der Verein Deutscher Ingenieure e.V. (VDI) hat zum Beispiel mit der Richtlinie 6014 die Auswahl drehzahlsteuerbarer Antriebe bis 5,5 kW

Nebenprozesse optimieren Wo die grössten Effizienzreserven schlummern, zeigt eine Studie des Fraunhofer Instituts für System- und Innovationsforschung (ISI). Demnach verbrauchen die Kernprozesse der produzierenden Industrie nur etwa ein Drittel der Energie. Zwei Drittel des Energiebedarfs entfallen auf die Nebenprozesse. Dies ist ein gewaltiges Potenzial zur Senkung des Verbrauchs und zur Steigerung der Energieproduktivität. Seit Langem schon arbeiten Unternehmen daran, ihre Herstellungsprozesse zu optimieren. Die ISI-Studie zeigt, dass hier grosse Fortschritte erzielt wurden. Sie offenbart aber auch, welche Komponenten den grössten Anteil am hohen Verbrauch der Nebenprozesse haben. Oft sind bei den Nebenprozessen Systeme im Einsatz, die seit vielen Jahren ihren Dienst verrichten und rund um die Uhr laufen, auch wenn die volle Leistung nicht permanent benötigt wird. Entsprechend gibt es hier noch grosse Möglichkeiten zur Effizienzsteigerung. Diese zu nutzen, ist jedoch nicht so einfach. Der Austausch einzelner Komponenten funktioniert nicht so problemlos wie etwa das Ersetzen einer normalen Glühbirne durch eine Energiesparlampe. Untersuchungen zeigen, dass beispielsweise ein Energiespar-

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Zwei Drittel des Energiebedarfs in der Industrie entfallen auf Nebenprozesse.

konkretisiert. Das Ziel ist, Motor, Maschine und Drehzahlsteuereinrichtung als Gesamtsystem zu begreifen. Eine Kühlung, die keine Rücksicht auf die tatsächliche Temperatur nimmt, ist demnach ebenso wenig zu vertreten wie eine Pumpe, die trotz unterschiedlicher Leistungsanforderung zu jedem Zeitpunkt mit derselben Leistung arbeitet. Um ein Maximum an Energieeffi-

zienz zu erreichen, müssen bei intelligenten Lösungen unterschiedliche Technologien perfekt zusammenspielen. Zum Beispiel die Kombination aus Hydraulikpumpe, elektrischem Pumpenantrieb samt Antriebsregelung und einer analogen oder digitalen Steuerung. Das stellt hohe Anforderungen an die Hersteller, die nicht nur an der Optimierung der jeweiligen Antriebstechnologie

arbeiten müssen. Die einzelnen Bauteile müssen sich ausserdem in verschiedene Regelungen integrieren lassen. Zusätzliche Steuerungs- und Regelungstechnik darf nämlich nicht zu einem höheren Ressourcenverbrauch und schwereren Komponenten führen. Das würde einen Teil der Einsparungen wieder zunichte machen. [pm]

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Energieeinsparungen bei Pumpen und Lüftern können bei halber Drehzahl bis zu 3/4 der Gesamtleistung betragen.

Der Einsatz energiesparender Verfahren und Technologien ist heute wichtiger denn je. Fossile Rohstoffe wird es in 100 Jahren wohl nicht mehr oder nur noch in geringen Mengen geben. Diese Vision führt zu einer Diskussion über Energieeinsparung. Dabei unterstützen dramatisch gestiegene Energiekosten diese Entwicklung. Seit dem Jahr 2000 hat sich der Strompreis für die Industrie verdoppelt. Und er steigt weiter, ebenso die Preise für andere Energieträger wie Öl oder Gas.

mweltexperten warnen: Un-

U sere Erde erwärmt sich stetig weiter. Wege, um eine weitere Eskalation abzuwenden, liegen in der deutlichen Reduktion der Nutzung fossiler Energieträger im Allgemeinen und der damit

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verbundenen Senkung der Emission von Treibhausgasen. Begrenzte Ressourcen und ein weltweit weiterhin stark steigender Energiebedarf, hervorgerufen vor allem auch durch die wirtschaftliche Erstarkung der sogenannten Schwellenländer, erfordern Massnahmen zur effizienten Energienutzung. Diese werden zukünftig eine Schlüsselrolle spielen, denn sie sind die schnellste, grösste und günstigste Möglichkeit, Klima- und auch Ressourcenschutz zu unterstützen.

Sparpotenzial in der Industrie Anwendungen in Industrie, Handel und Gewerbe bieten ein enormes Einsparpotenzial an elektrischer Energie. Nach einer Erhe-

bung beträgt es in Deutschland für Kühl- und Gefriergeräte 8 Mrd. kWh, für Beleuchtung 11 Mrd. kWh und für elektrische Antriebe 27 Mrd. kWh. Insgesamt entspricht dies einer Einsparung von mehr als 40 Mrd. kWh an Strom pro Jahr oder 22 Mio. t CO2. In der elektrischen Antriebstechnik liegen also die grössten Potenziale. Die möglichen Massnahmen, um diese Potenziale auszuschöpfen, lassen sich in drei Bereiche einteilen, die unterschiedlich grosse Beiträge zur Energieeinsparung liefern. Sie liegen bei vermehrtem Einsatz von Energiesparmotoren mit einem zusätzlichen Einsparpotenzial von 10 Prozent, beim Einsatz der elektrischen Drehzahlregelung, was schon 30 Pro-

zent Einsparung bringt und bei der Optimierung des Systems, mit dem grössten Anteil von 60 Prozent. Daraus erkennt man schon die Stossrichtung: Nur eine Gesamtbetrachtung des Antriebssystems bringt den grössten Erfolg. Und nicht die Optimierung einzelner Komponenten sollte das Ziel sein, sondern die Betreiber und Hersteller müssen die Prozesse und Fertigungsverfahren betrachten und auf maximale Effizienz bringen.

Getriebe hohen Wirkungsgrads, wie es beispielsweise die Verwendung von Kegelradgetrieben anstelle von Schneckenradgetrieben darstellt. Daneben stecken vor allem im Bereich der Drehzahlregelung von Motoren noch viele Möglichkeiten. Dabei reduziert beispielsweise der geführte Hochlauf von Motoren ganz erheblich die Verlustarbeit im Motor und erhöht so die Effizienz des Antriebs.

Effiziente Drehstrommotoren

Frequenzumrichter reduzieren Energieverbrauch

In der Vergangenheit erzielten Betreiber Einsparmassnahmen besonders durch den Einsatz von effizienteren Drehstrommotoren. Diese Kampagne ist erfolgreich abgeschlossen. Heute halten über 90% der eingesetzten Drehstrommotoren die Effizienzklasse I oder II ein. Dies verbessert den Wirkungsgrad von Standardmotoren um etwa 8 Prozentpunkte bei 1 kW bis 1,5 Prozentpunkte bei 100 kW. Optimal ist dabei die Kombination mit einem

Bisher wurden Drehzahlregelungen meist nur dort eingesetzt, wo es produktionstechnische Vorteile gab, die Produktionslinie oder den Prozess optimal regeln zu können. Nun wandelt sich dieses Bild aber zunehmend, nicht zuletzt auch durch die stark gestiegenen und weiter steigenden Energiepreise. Allerdings kommt noch ein weiterer, wichtiger Punkt hinzu: Selten werden die Anwendungen, die meist auf Spitzenlast ausgelegt sind,

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Antriebstechnik

Strömungsmaschinen verhalten sich in ihrer Leistungsaufnahme stark drehzahlabhängig.

auch wirklich unter Spitzenlast betrieben. In der Praxis laufen Motoren in der Anwendung entweder mit voller Leistung und die zu viel produzierte Leistung muss auf mechanischem Wege vernichtet werden, oder es müssen geeignete Massnahmen für eine Drehzahlregelung ergriffen werden. Und diese erfolgt am effektivsten über moderne Frequenzumrichter. Daher ist es doch verwunderlich, dass nur 18 Prozent aller neu verkauften Motore drehzahlgeregelt sind.

Bei Pumpen und Lüfter sparen Gerade Strömungsmaschinen, wie sie Pumpen und Lüfter darstellen und die in Produktionslinien und bei Nebenprozessen weit verbreitet sind, verhalten sich in ihrer Leistungsaufnahme stark drehzahlabhängig. Bisher waren aufgrund der relativ niedrigen Energiekosten jedoch die Return-On-Investment-Zeiten (ROI) für Investitionen in energiesparende und damit umweltschonende Drehzahlregelung oft zu lang. Dabei bergen gerade Pumpenantriebe sehr hohe Einsparpotenziale durch Drehzahlregelung. Im Bereich der Strömungsmaschinen ist sicher der kennlinienbedingte Einspareffekt am grössten. Energieeinsparungen bei

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Pumpen und Lüftern können beispielsweise bei halber Drehzahl bis zu 3/4 der Gesamtleistung betragen. Aber auch Anwendungen mit konstanter Kennlinie bieten einen Einspareffekt. So bieten beispielsweise drehzahlgeregelte Druckluftanlagen ein erhebliches Einsparpotenzial, wenn zum Beispiel der Druck in einer Anlage nur um 1 bar abgesenkt werden kann. Hinzu kommen schwerer zu quantifizierende Einsparungen bei der Wartung und der bei einer Drehzahlregelung enthaltene Sanftanlauf reduziert zusätzlich den Verschliess der Maschinen und Antriebe.

Frequenzumrichter senken TCO Hersteller von Frequenzumrichtern gehen heute weiter und bewerben neben den genannten Vorteilen auch die gesenkten Life Cycle Costs. Meist sind Frequenzumrichter und anderes elektrisches Equipment in zentralen Schalträumen untergebracht. Diese müssen meist klimatisiert oder belüftet werden. Aber Verluste, die gar nicht erst entstehen, müssen auch nicht beseitigt werden. So kann in vielen Fällen die Investition in eine Klimaanlage deutlich kleiner ausfallen oder gänzlich vermieden werden. Danach sind die Kosten für Betrieb, Instandhaltung für die gesamte Nutzungszeit deutlich niedriger. So steht neben den zuvor beschriebenen anwendungsspezifischen Einsparmöglichkeiten zunehmend auch der Wirkungsgrad eines Frequenzumrichters im Mittelpunkt der Diskussion. Waren noch vor wenigen Jahren 96% Wirkungsgrad das Mass aller Dinge, so konnte dieser Wert durch moderne Halbleiter auf 98% erhöht werden. Für einen Antrieb mit 500 kW, der in 3 Schichten genutzt wird und 10 Jahre im Dienst ist, bedeutet das eine theoretisch mögliche Einsparung von bis zu

876000 kWh. Um die Kosten für den Anwender möglichst niedrig zu halten, setzen zeitgemässe Frequenzumrichterkonzepte auf eine modulare Plattform. Der Frequenzumrichter wird exakt auf die Applikation abgestimmt und konfiguriert. Anschliessend erhält der Kunde ein komplett anschlussfertiges Gerät, was schnell und einfach auch in bestehende Applikationen integrierbar und nachrüstbar ist.

Massnahmen zur weiteren Förderung Trotz der Diskussion über die Life Cycle Costs (LCC) werden auch heute noch Kaufentscheidungen von den Investitionskosten für eine Drehzahlregelung abhängig gemacht. Viele Anwender haben aber inzwischen erkannt, dass bei energieintensiven Verbrauchern eine komplette LCC-Betrachtung notwendig ist. Bisher wurden häufig nur die Anschaffungskosten (Investitionen) betrachtet und nicht die Lebenszykluskosten, die in der Regel 90 Prozent der Gesamtkosten betragen. Moderne Umrichter helfen, die Kosten in Anlagen zu sparen. So ist es wichtig, dass die verwendeten Komponenten schnell und einfach installierbar sind, nur eine geringe Verlustleistung verursachen und nach Möglichkeit auch wartungsfrei sind. Gleichzeitig schonen sie unser aller Umwelt, indem sie den Verbrauch fossiler Brennstoffe verringern. Dies senkt den Ausstoss von Treibhausgasen ganz gewaltig. Um eine bessere und gesündere Umwelt für uns alle zu schaffen. Insgesamt ist davon auszugehen, dass durch geeignete Energieeffizienzmassnahmen der Energiebedarf um ca. 30% reduziert werden kann. Bezogen auf alle europäischen Staaten (EU 25) würde dies eine Energieeinsparung von 45 GW bedeuten. Dies entspricht 30 Kernkraftwerken (1300 MW) oder 130 fossilen Kraftwerken (350 MW). [tm]

90% WENIGER EMISSIONEN

UND 50% KÜRZERE ENTWICKLUNGSZEIT

DAS IST MODEL-BASED DESIGN. Um die anspruchsvollen Projektziele bei der Entwicklung eines schadstoffarmen Fahrzeugs in dem vorgegebenen Zeitrahmen umzusetzen, haben Ingenieure bei Nissan dynamische System-Modelle anstatt schriftlicher Speziﬁkationen eingesetzt. Das Ergebnis: Nahezu keine Schadstoffemissionen und fast 50% Zeitersparnis. Mehr zu dieser prämierten Leistung des Nissan-Teams erfahren Sie unter: www.mathworks.ch/mbd

Accelerating the pace of engineering and science

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Das Erdöl geht zur Neige. Die Zeit drängt, alternative Energiequellen zu erschliessen. Bislang schien es, als liessen sich Biokraftstoffe nur zu Lasten der Umwelt und der Nahrungsmittelproduktion erzeugen. Doch Karlsruher Forscher gehen einen anderen Weg – mit dem Abfallprodukt Stroh.

ie Flasche ist durchsichtig, ihr

D Inhalt ölig-schwarz. Professor

Dr. Eckhard Dinjus schüttelt sie kräftig und sagt: «So sieht Slurry aus.» Der Leiter des Bereichs Chemisch-Physikalische Verfahren am Institut für Technische Chemie des Forschungszentrums Karlsruhe hält das Ergebnis von mehr als fünf Jahren Forschungsarbeit in der Hand. Die Brühe ist ein hervorragender Grundstoff für Biokraftstoff, den man regional erzeugen und dann in Raffinerien zentral weiterverarbeiten kann. Das jedenfalls ist das gemeinsame Ziel der Wissenschaftler am

Forschungszentrum Karlsruhe, des Anlagenbauers Lurgi GmbH, des deutschen Bundes-Landwirtschaftsministeriums und auch von Mess- und Automatisierungstechnik-Partner Endress + Hauser. Eckhard Dinjus steht in einer grossen Halle, gemeinsam mit Lukas Hablützel, bei Endress + Hauser europaweit verantwortlich für erneuerbare Energien. Hinter den beiden Männern türmen sich Strohballen: «Trockene Reststoffe wie Weizenstroh oder Abfallholz sind ideales Ausgangsmaterial für das sogenannte bioliq-Verfahren», erläutert Lukas Hablützel.

Vom Reststoff zum Wertstoff Infos Endress + Hauser Metso AG 4153 Reinach/BL 1 Tel. 061 715 75 75 info@ch.endress.com www.ch.endress.com

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Mehr als fünf Millionen Euro haben die Kooperationspartner bislang allein in die Schnellpyrolyse investiert, in der das Slurry – der breiige Grundstoff – hergestellt wird. 500 Kilogramm Stroh pro Stunde kann die Pilotanlage verarbeiten. Die Energie wird dabei

um den Faktor 10 bis 15 konzentriert. Denn Stroh besteht vor allem aus Luft; selbst gepresst wiegt ein Kubikmeter nicht mehr als 150 Kilogramm. Und auch mit bioliq lassen sich aus einem Kubikmeter Stroh am Ende nur 31 Liter Kraftstoff gewinnen. Kein Wunder, dass Umweltschützer vor neuen Verkehrsströmen warnen, wenn es um das grossflächige Verwerten von Biomasse geht. Die Karlsruher Forscher wollen deshalb den ersten Verarbeitungsschritt, die Schnellpyrolyse, dezentral ansiedeln. Bäuerliche Betriebe könnten das Slurry aus den im Umkreis anfallenden Strohabfällen produzieren und an Raffinerien verkaufen – für die Landwirte eine zusätzliche Einkommensquelle. Ein weiterer ökologischer Vorteil: Grosse Monokulturen sind für das neue Verfahren nicht nötig. «Wir verarbeiten das, was in der Land- und Forstwirtschaft übrig bleibt. Nur trocken muss es sein», sagt Eckhard Dinjus.

Energie

CO2-Ausstoss senken Von einer Konkurrenz für die Nahrungsmittelproduktion könne bei bioliq keine Rede sein, so der Chemieprofessor. Biokraftstoffe gelten als Schlüssel, um den CO2-Ausstoss zu senken – schliesslich wird beim Verbrennen nur so viel klimaschädliches Kohlendioxid freigesetzt, wie beim Wachstum der Pflanzen gebunden wurde. Um aber bis 2020, wie es sich die Europäische Union zum Ziel gesetzt hat, 17 Prozent des Treibstoffbedarfs mit Biokraftstoffen zu decken, braucht es enorme Mengen an Ausgangsmaterial. Professor Dinjus sieht hier eine Chance für Länder wie Thailand, Peru, Russland und China, die über Biomasse im Überschuss verfügen. «Die Technik ist im Grunde seit Jahren erprobt», betont Institutsdirektor Eckhard Dinjus. Sie fusst auf Methoden aus der Braunkohleverarbeitung und Raffinerietechnik, die den harten industriellen Bedingungen seit Jahrzehnten standhalten. Im Februar 2008 lief der Pyrolyse-Betrieb in Karlsruhe an, 2010 soll die Weiterverarbeitung in Betrieb gehen: In einer Vergasungsanlage wird dann Synthesegas erzeugt, das danach wahlweise zu Kraftstoff oder zu che-

Pionierarbeit auf dem Gebiet der erneuerbaren Energien: Professor Dr. Eckhard Dinjus (links) im Gespräch mit Endress + Hauser Fachmann Lukas Hablützel.

mischen Grundmaterialien – etwa für Kunststoffe – verarbeitet werden kann. Zunächst ist nach der Vergasung die Kraftstoffsynthese geplant.

Die Anlage treibt sich selbst an Neben der flexiblen Synthese hat bioliq einen weiteren technischen Vorteil. «Slurry zu kompri-

mieren, kostet fast nichts», erläutert Dr. Nicolaus Dahmen, warum man in Karlsruhe – im Gegensatz zu bisherigen Standardverfahren für Biokraftstoffe – keine zusätzliche Kompression für das Synthesegas braucht und den Druck in der Vergasung wunschgemäss an die Synthese anpassen kann. Ausserdem ist keine Reinigung des Kraftstoffs nötig; Feinstaub

Energie

Spitzenforschung in Karlsruhe Hinter dem bioliq-Projekt (Biomass to Liquid) steht der 64-jährige Chemieprofessor Dr. Eckhard Dinjus, der seit 1996 den Bereich Chemisch-Physikalische Verfahren am Institut für Technische Chemie des Forschungszentrums Karlsruhe leitet. Es beschäftigt 70 feste Mitarbeiter sowie rund 40 Gastwissenschaftler, Diplomanden und Doktoranden der Chemie und der Ingenieurwissenschaften. Im Fokus stehen Katalysatorforschung und Schadstoffbeseitigung, gerade in thermischen Prozessen. Ebenfalls seit 1996 hat Dr. Eckhard Dinjus den Lehrstuhl für Technische Chemie an der Universität Heidelberg inne. Zuvor war er Professor an der Universität Jena. Mit seinem Team in Karlsruhe hat er neben bioliq auch die Entwicklung hydrothermaler Verfahren vorangetrieben. Diese nutzen nasse Biomasse, beispielsweise zur Produktion von Wasserstoff und anderen Chemikalien. Das Forschungszentrum Karlsruhe hat mittlerweile gemeinsam mit der Universität Karlsruhe das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) gegründet. Die enge Zusammenarbeit unter dem Dach von KIT war mit entscheidend dafür, dass Karlsruhe 2006 zu einer von drei EliteUniversitäten in Deutschland gekürt wurde.

fällt nicht an. Zwei Sekunden Hitze genügen. In der Pilotanlage in Karlsruhe ist inzwischen das Stroh klein gehäckselt und geht in die Pyrolyse, die Verschwelung. Das Stroh wird mit 500 °C heissem Sand durch einen zwei Meter langen DoppelschneckenMischreaktor gewirbelt – gerade einmal zwei Sekunden lang. Das genügt, um genau jene Gase zu erzeugen und zu kondensieren, die den Schlüssel zum Biokraftstoff bilden. Dabei wird eine wässrige Lösung aufgefangen und in einer zweiten Stufe kondensiert: Sie enthält immerhin zehn Prozent der Energie. Zusätzlich entsteht Koks. Auch dieser wird später wieder beigemischt. Wie genau die ideale Mischung aussieht, beschäftige die Forscher noch, sagt Projektleiter Nicolaus Dahmen, während er in dem rund 15 Meter hohen Pyrolyseturm herab steigt. Unten ist es warm. Denn hier verbrennen die zehn Prozent Restgase, die nicht kondensierbar sind: Methan, Kohlenmonoxid und Wasserstoff. «Das liefert die nötige Energie für die Slurry-Herstellung gleich mit.» Erdgas braucht die Anlage nur zu Beginn, danach treibt sie

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sich allein an. Die gesamte Pilotanlage mit Pyrolyse, Vergasung und Synthese soll, so die Pläne in Karlsruhe, fünf Jahre laufen. Man wolle verschiedene Biomaterialien erproben, die Verfahren optimieren und das Slurry standardisieren, um es auch für andere Zwecke wie etwa die direkte Verbrennung einsetzen zu können, erläutert Projektleiter Nicolaus Dahmen.

Hochwertige Prozessmesstechnik Fachleute verfolgen die Forschungsarbeiten in Karlsruhe aufmerksam. Die Entwicklung von bioliq wurde bereits mit einer Silberurkunde beim Innovationspreis der Deutschen Wirtschaft gewürdigt. Zu schade zum Unterpflügen Endress + Hauser ist mit ins Forschungsboot gestiegen und beteiligt sich an der Weiterentwicklung mit neuen Lösungen für messtechnische Aufgaben. Der Prozess hat durchaus seine Tücken: «Bei dem Brei, den wir herstellen», meint Projektleiter Nicolaus Dahmen, «handelt es sich schliesslich um hochpartikelhaltige Suspensionen.» Um zum Beispiel Wassernester zu erkennen,

Hochwertiger Biokraftstoff aus wertloser Biomasse: Deutsche Forscher haben ein neues Verfahren entwickelt, das derzeit in einer Pilotanlage in Karlsruhe erprobt und verfeinert wird.

Komplexes Verfahren: Bei der Biomasse-Pyrolyse hilft hochwertige Messtechnik, die Prozesse sicher und zuverlässig zu steuern.

sei hochwertige Prozessmesstechnik gefragt. Endress + Hauser verfügt über solche Technik und bringt die nötige Erfahrung mit. Lukas Hablützel: «Weltweit haben wir bereits mehr als 100 BiodieselAnlagen ausgerüstet.» «Was können wir mit Stroh machen» – mit dieser wissenschaftlichen Fragestellung war das Team in Karlsruhe vor sieben Jahren gestartet. «Von allen regenerativen Energieträgern ist Biomasse der einzige Kohlenstoffträger», betont Eckhard Dinjus und schüttelt die Flasche mit dem öligschwarzen Versprechen auf eine bessere Zukunft noch mal kräftig. «Für die Strom- und Wärmeproduktion ist es viel zu schade – und zum Unterpflügen sowieso!» [tm]

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Strom stand in Rechenzentren und Serverräumen bislang meist einfach zur Verfügung – das Geld dafür spielte kaum eine Rolle. Mit steigenden Energiepreisen entwickeln sich die Ausgaben für Strom jedoch zu einem relevanten Faktor für die Kalkulation von Rechenzentren und Serverräumen.

Eine elektrische Leistung von 1 kW in einem Serverraum kostet pro Jahr zwischen 1500 bis 4500 Franken.

urzeit liegen die Kosten für die einer elektrischen Leistung von 1 kW in einem Serverraum pro Jahr bei etwa 1500 bis 4500 Franken – je nachdem, ob eine globale Total Cost of Ownership (TCO-) Betrachtung zugrunde liegt. Berechnet man die Kosten über einen Zeitraum von zehn Jahren, kann ein Betrag von 45000 Franken bei 3 kW pro Rack bis 300000 Franken bei 20 kW pro Rack zustande kommen. Ein guter Grund, nach Einsparmöglichkeiten zu suchen – und das auf breiter Ebene: Schliesslich verbrauchen Rechenzentren und Serverräume Schätzungen zufolge zwischen zwei und fünf Prozent der weltweit produzierten elektrischen Leistung. Wer es schafft, diesen

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Wert zu verringern, spart nicht nur viel Geld, sondern erspart auch der Umwelt eine Menge Belastung.

Verheizt statt genutzt Der Energiefresser in Rechenzentren und Serverräumen ist schnell gefunden: Die aufgenommene elektrische Leistung wird beinahe zu 100 Prozent in Wärme umgewandelt. Die Definition des Wirkungsgrads von Rechenzentren und Serverräumen ist einfach: Die Effizienz eines Geräts oder Systems wird durch den Anteil der elektrischen Nutzleistung zur konsumierten elektrischen Leistung bestimmt. Der Anteil der nutzbaren Leistung zur Gesamtleistung wird üblicherweise als Prozent-

Autor Andreas Veltkamp Head of Enterprise Business bei APC by Schneider Electric

zahl dargestellt. «Nutzbar» ist, was als das gewünschte Ergebnis für ein bestimmtes System erachtet wird. Das hängt nicht nur von der Art des Systems ab, sondern auch vom Kontext der Verwendung. Beispielsweise kann bei einer Glühbirne, die fünf Prozent Licht und 95 Prozent Wärme abgibt, von einem Wirkungsgrad von fünf Prozent als Glühbirne oder einem Wirkungsgrad von 95 Prozent als Heizkörper gesprochen werden, abhängig davon, ob sie als Lichtquelle oder Wärmequelle in einem Raum verwendet wird. Als «Nutzprodukt» gilt somit alles, was unter den jeweiligen Umständen für das System Sinn ergibt. Im konkreten Fall bedeutet dies, dass Rechenzentren und Serverräume als elektrische Systeme modelliert werden müssen, deren «Gesamtleistung» der Stromverbrauch vom Versorgungsnetz ist und deren «nutzbares Ergebnis» die Strommenge ist, die für die Datenverarbeitung bereitgestellt, das heisst, die tatsächlich an die IT-Geräte geliefert wird. Im Idealfall hätten Rechenzentren und Serverräume einen Wir-

kungsgrad von 100 Prozent. Dann würde die gesamte zugeführte Energie die IT-Geräte erreichen. Diese müssen jedoch angemessen untergebracht, mit Strom versorgt, gekühlt und geschützt werden, damit eine ordnungsgemässe Datenverarbeitung möglich ist. In der Praxis wird die elektrische Energie auch von anderen Geräten, die für den Betrieb von Rechenzentren und Serverräumen notwendig sind, verbraucht. Stromverbraucher sind zum Beispiel Transformatoren, unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV), Verkabelung, Lüfter, Kompressoren, Klimaanlagen, Pumpen, Befeuchter und Beleuchtung. Einige dieser Geräte, wie die USV und die Transformatoren, sind mit den IT-Geräten in Reihe geschaltet, hängen also am selben Strompfad. Andere Geräte wie die Beleuchtung, Lüfter und Kompressoren sind mit den ITGeräten parallel geschaltet, da sie zusätzliche Unterstützungsfunktionen in den Rechenzentren oder Serverräumen übernehmen. Schnell wird klar, dass all diese «unterstützenden» Systeme – NCPI (Network Critical Physical Infrastructure) genannt – «Verlust» produzieren, denn sie dienen nicht dazu, Daten zu verarbeiten, sondern haben lediglich unterstützende Funktionen.

Wirkungsgrade effektiv steigern Betrachtet man die NCPI-Komponenten, lässt sich deren Wirkungsgrad steigern durch: • den Einbau von energieeffizienteren standardisierten Bauteilen in Verbindung mit einer modularen Bauweise. Wichtig ist es, ablaufkritische Bauteile im laufenden Betrieb austauschen zu können. Die Versorgung mit Ressourcen (Energie/Kühlmedium) beziehungsweise die zu erbringende Leistung sollte durch eine intelligente Software-Lösung justierbar, überwachbar und rapportierbar sein. Ausser-

dem sollten Fehlerzustände innerhalb einer definierten Toleranz kontrolliert und unmittelbar eskaliert werden. • die Bildung aerodynamisch effektiver IT-Infrastruktur-Architekturen. Zeitgemässe Racktüren leisten durch ihren Perforationsgrad keinen nennenswerten Strömungswiderstand mehr. Racks werden in Reihen nach dem Kaltgang-WarmgangPrinzip platziert. Eine überlegte Verteilung des unterschiedlich performanten IT-Equipments auf die Racks und eine durchdachte Verlegung der Stromund Datenkabel und der Kaltwasserrohre sind ebenfalls positive Einflussgrössen. Ein Vermischen von gekühlter Luft und erwärmter Abluft wird durch entsprechende Abschottungsmassnahmen konsequent vermieden. Der Wirkungsgrad von Rechenzentren und Serverräumen ergibt sich aus der Summe der Stromverbrauchsdaten aller IT-Geräte, dividiert durch die Gesamtleistungsaufnahme des Rechenzentrums oder Serverraums.

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Verluste korrekt berechnen In der Praxis verlassen sich viele IT-Verantwortliche bei grossen Komponenten wie USV und Klimaanlagen auf die Herstellerangaben zum Wirkungsgrad. Hier sollten in jedem Fall auch die Teillastwirkungsgrade beziehungsweise die auftretenden Verluste abgefragt werden, um eine korrekte Beurteilung zu ermöglichen. Fehler in Modellen zur Wirkungsgradermittlung beruhen auf mehreren Ursachen: Zunächst gehen viele Planungen für Rechenzentren oder Serverräume von der Annahme aus, der Wirkungsgrad von Stromversorgungs- und Kühlanlagen sei konstant und unabhängig von der ITLast. Tatsächlich jedoch beträgt bei sehr geringen Lasten der Wir kungsgrad fast null.

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In Rechenzentren gibt es viele Stromverbraucher: Transformatoren, unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV), Verkabelung, Lüfter, Kompressoren, Klimaanlagen, Pumpen, Befeuchter und Beleuchtung.

Schon durch die Steuerlogik von Geräten, die unabhängig von der Last einen konstanten Strombedarf hat, kommt es zu Leerlaufverlusten. Werden diese Geräte dann mit niedriger Last betrieben – wie dies bei den meisten Rechenzentren der Fall ist – ist der Anteil dieses Verlustes besonders hoch und der Wirkungsgrad bleibt niedrig. In der theoretischen Planung werden die Stromversorgungsund Kühlkomponenten nahezu mit der projektierten Auslastung betrieben. Dass dies in der Praxis nicht funktioniert, hat mehrere Gründe: • Die IT-Last des Rechenzentrums (Auslastungsgrad) liegt weit unter der Nennleistung der versorgenden NCPI-Geräte. • Die versorgende Infrastruktur wurde absichtlich überdimensioniert, um einen Sicherheitsspielraum zum Beispiel für Erweiterungen zu erhalten. • Die Komponente wurde im Verbund mit gleichen oder ähnlichen Komponenten in einer hochverfügbaren, redundanten N+1- oder 2N-Konfiguration genutzt. • Die Komponente wurde überdimensioniert, um eine höhere Lastflexibilität zu erhalten. Eine weitere wichtige Fehlerquelle bei der Modellierung des Wirkungsgrads von Rechenzentren und Serverräumen besteht in der Annahme, dass die Abwärme von Stromversorgungsund Klimaanlagen (Wirkungsgradverlust) lediglich einen un-

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bedeutenden Anteil an der ITLast ausmacht und daher ignoriert werden kann. Tatsache ist jedoch, dass kein Unterschied zwischen der Abwärme der Stromversorgungs- und Klimaanlagen in einem Rechenzentrum und der Abwärme der ITGeräte besteht. In beiden Fällen muss die Abwärme von einem Kühlsystem abgeleitet werden. Dies bedeutet eine zusätzliche Belastung für das Kühlsystem. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit einer Überdimensionierung mit den daraus resultierenden zusätzlichen Wirkungsgradverlusten. Um diese Verluste korrekt quantifizieren zu können, muss die Kühllast sowohl die IT-Geräte als auch sämtliche Stromversorgungsund Kühlvorrichtungen berücksichtigen, die sich in dem klimatisierten Bereich befinden.

Das effizientere Modell Wer die Fallstricke und Denkfehler kennt, mit denen Rechenzentren und Serverräume häufig konzipiert und betrieben werden, kann diese leicht vermeiden und Lösungen mit höherer Effizienz entwickeln. Dabei sind folgende Punkte zu beachten: • Die Modellierung der Komponenten muss unter Einbeziehung des Leerlaufverlustes erfolgen. • Die Minderauslastung aufgrund von N+1- oder 2N-Architekturen wird mit einbezogen. • Die Kühllast ist die Summe der Abwärmedaten der IT-Systeme und der internen Stromversorgungs- und Kühleinheiten. • Für eine gegebene Installation in Rechenzentren oder Serverräumen wird der Wirkungsgrad als eine Funktion der Last grafisch dargestellt, wobei vorausgesetzt wird, dass typische Rechenzentren und Serverräume weiter unter ihrer Nennleistung betrieben werden. Die praktische Umsetzung des Modells ist einfach und sieht fol-

gendermassen aus: Zunächst gilt es, die durchschnittliche Überdimensionierung für jede Art von Stromversorgungs- oder Kühlkomponente zu ermitteln. Dabei sind die Faktoren Lastflexibilität und Redundanz zu berücksichtigen. Dann sind für jede Komponentenart die Betriebsverluste zu ermitteln – unter Berücksichtigung von Eingangsleistung, Anteil an der Gesamtleistung für die Komponentenart auf Basis von Überdimensionierung und Leerlaufverlust. Des Weiteren ist der Verlust zu ermitteln, der aufgrund der Kühlung von Stromversorgungs- und Klimaanlagen im Rechenzentrum oder Serverraum durch das Kühlsystem anfällt. Anschliessend werden alle Verluste addiert und als eine Funktion der IT-Last berechnet und dargestellt.

Optimierung durch korrekte Dimensionierung Der mangelnde Wirkungsgrad von Rechenzentren lässt sich primär auf die Überdimensionierung und veraltete USV-Technologien zurückführen, die nicht die heutige Arbeitsweise der IT-Verbraucher berücksichtigen. Daraus ergibt sich, dass skalierbare, an die IT-Last anpassbare Lösungen ein spürbares Potenzial für die Verringerung von unnötigem Stromverbrauch und übermässigen Kosten bieten. Besonders wirksam ist die korrekte Dimensionierung zusammen mit der Virtualisierung der IT-Geräte und einer deutlich verbesserten Warmluftführung zwischen den IT-Geräten und den Kühl- und Klimaanlagen und damit erzielbarer Trennung zwischen Warmund Kaltluft. Was daraus folgt, sind sehr hohe Einsparmöglichkeiten, die sich auf der Stromrechnung deutlich bemerkbar machen. [pm]

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Folgekosten werden bei USV-Anlagen gern unterschätzt. Doch langfristig genutzte Investitionsgüter können über die gesamte Lebensdauer enorm teuer werden. Vor allem, wenn deren Stromverbrauch vernachlässigt wird. Die richtige Dimensionierung spielt dabei eine eben so grosse Rolle wie das Wissen um die eigenen Anforderungen für Verfügbarkeit und die Lastcharakteristik der anzuschliessenden Geräte.

nterbrechungsfreie Stromver-

U sorgungen (USV) erschrecken

Rechenzenterleiter oft durch die hohen Investitionskosten, vor allem wenn es sich um grössere Systeme handelt. Wie bei allen Sicherheitstechnologien ist es auch bei der USV besonders schwer, die Mehrkosten zu rechtfertigen. Schliesslich bekommt der Anwender im Idealfall nichts von der Funktion der Geräte mit, die USV erfüllt die undankbare Aufgabe der Versicherung, bei der man erst weiss, ob sie ihr Geld wert ist, wenn der Fall eintritt, vor dem sie schützen soll. Klar, dass da ein, um mehrere Zehntausend Franken günstigeres Angebot, wohlwollend betrachtet wird und möglicherweise deswegen den Vorzug bekommt.

USV ist nicht gleich USV Am Ausgang soll eine USV einfach Strom erzeugen – da können doch die Unterschiede zwischen den verschiedenen Systemen nicht so gross sein. Gross vielleicht nicht, aber entscheidend. Neben der Anfangsinvestition ziehen USV-Anlagen über die gesamte Laufzeit hohe Folgekosten nach sich. Die Systeme laufen ununterbrochen und schleusen Tag für Tag Hunderte von Kilowatt bis hin zu Megawatt durch die Leistungselektronik. Das sorgt für einen enormen Stromverbrauch, vor allem, wenn die Systeme nicht extrem effizient aufgebaut sind. Dazu kommen noch – je nach Hersteller, Serviceorganisation und Funktionsprinzip – unterschiedlich hohe Wartungskosten.

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Beide Faktoren, sowohl Anfangsals auch die Folgekosten, verdienen im Vorfeld die uneingeschränkte Aufmerksamkeit. Im Prinzip geht es um zwei Faktoren. Da ist zum Einen die korrekte Dimensionierung der USV für die angeschlossene Last. Die Nennlast laut Typenschild der Verbraucher zu verwenden, stellt eine

enorme Verschwendung dar. Volle Nennlast erfordern elektrische Verbraucher sehr selten, die meisten erreichen diesen Lastzustand nie. Als Faustregel bei Computern gilt, dass nur etwa zwei Drittel der Nennlast als tatsächlicher Verbrauch geplant werden sollten. Einen Sonderfall stellen die immer häufiger eingesetzten Blade-Server dar. Sie gehören mittlerweile zur Grundausstattung der meisten Serverräume und Rechenzentren. Die Marktforscher glauben, dass Blades schon in drei Jahren ein Viertel aller verkauften Server ausmachen werden. Die platzsparenden Einschubsysteme helfen, den wertvollen Platz im Rechenzentrum optimal auszunutzen. Ein Chassis mit gemeinsam genutzter Infrastruktur wie Stromversorgung, Netzwerk- und Speicherschnittstellen, nimmt Einschubmodule mit Prozessoren und Arbeitsspeicher auf. So lassen sich bis zu 40 Prozessoren und 160 Prozessorkerne (mit AMD Barcelona CPUs) auf sieben Höheneinheiten unterbringen. Blade-Server besitzen aufgrund der hohen Lasten, die sie mit Strom versorgen müssen, über extrem leistungsfähige Netzteile. Gesamtleistungen von

Energie

4000 Watt sind die Regel. Die Netzteile unterscheiden sich von herkömmlichen PC-Stromversorgungen in ihrem Lastverhalten. Während ein gewöhnliches Netzteil von Aussen eher induktiv wirkt, zeigen Blade-Server Netzteile eine kapazitive Lastcharakteristik. Mit der gross angelegten Einführung von solch leistungsfähigen Servern ist der Leistungsfaktor (Power Factor, PF) für USVAnlagen massgebender geworden als bisher. Denn diese kapazitive Charakteristik mindert die verfügbare Wirkleistung von USV-Systemen, vor allem bei USVs, die nicht mit einem transformatorlosen DoppelwandlerSystem ausgerüstet sind. Sie stellen ihre maximale Leistung für induktive Lasten bei einem Leistungsfaktor von cos phi = 0,80 bis 0,90 zur Verfügung.

Kapazitiv statt induktiv Im Vergleich mit traditionellen Servern weisen Blade Server einen vorauseilenden Power Faktor auf. Das heisst, die Verbraucher belasten die USV mit kapazitiver Leistung. Kapazitive Last muss vom System voreilend zur Verfügung gestellt werden. Der Leistungsfaktor nähert sich so einer Grösse von –0,95 bis –0,9 kapazitiv. Das wirkt sich negativ auf herkömmliche USV-Systeme mit Ausgangstransformatoren aus. Diese wurden entwickelt, um maximale Wirkleistung für induktive Lasten bereitzustellen, die einen nacheilenden Power Faktor aufweisen. Als Folge nähert sich die die USV-Anlage ihrer Leistungsgrenze weit schneller, als die Planer das bei der Installation berücksichtigt hatten. Ein Beispiel verdeutlicht dies: eine herkömmliche USV-Anlage mit einer Scheinleistung von maximal 300 kVA stellt bei einem Leistungsfaktor von –0,95 nur noch 214 kW Nenn-Wirkleistung zur Verfügung, das ist eine Verminderung von 11 Prozent. Liegt der Leistungsfaktor bei –0,90, sind es

Durch den einschubmodularen Aufbau kann die USV-Anlage optimal an den benötigten Leistungsbedarf angepasst werden, was den Wirkungsgrad erhöht.

sogar nur noch 182 kW, gleichbedeutend mit einer Verminderung von 24 Prozent. Beide Werte gelten im Vergleich zur nominalen Belastung, wenn der Leistungsfaktor +0,80 induktiv ist. Transformatorlose USV-Systeme haben hier einen Vorteil, denn sie erfahren bis zu einem Leistungsfaktor –0,95 gar keine und bei –0,90 nur eine geringe Leistungsverminderung von rund 3%. Die USV kann also trotz Blade-Servern im Rechenzentrum kleiner dimensioniert werden. Die Frage, mit welcher Grundleistung man eine USV dimen-

Die einfach austauschbaren Leistungsmodule vermindern die MTTR und somit das Ausfallrisiko – die Zeit ohne Redundanz vermindert sich auf wenige Minuten.

sioniert, hat nicht nur Auswirkungen auf die Investitionskosten. Leistungsneutrale USV-Systeme gibt es nicht. Doch USV-Systeme ohne ausgangsseitigen Transformator haben deutlich höhere Wirkungsgrade als Geräte mit ausgangsseitigem Transformator. Wirkungsgrade von 95 Prozent und mehr sind machbar. Hier kommt es auf jeden Prozentpunkt an. Aufgrund der enormen Leistungen, die durch eine USV geschleust werden, senkt bei einer Leistung von 100 kW schon ein Prozent mehr Wirkungsgrad die Betriebskosten um

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Energie

25000 Franken über fünf Jahre Laufzeit. Potenzielle Neukäufer und Anwender mit bestehenden Systemen sollten sich die Spezifikationen genau durchlesen beziehungsweise Messungen vornehmen, um die tatsächlichen Ein- und Ausgangswerte und damit den Wirkungsgrad zu ermitteln. Besonders wichtig ist in diesem Zusammenhang die Auslastung. Der optimale Wirkungsgrad wird nur bei oder nahe an Volllast erreicht.

Stückchenweise aufrüsten Soll die USV-Anlage redundant ausgelegt sein, was zumindest bei Rechenzentren und Serverräumen dem Standard entspricht, muss der Betreiber im Prinzip zwei identische Anlagen aufstellen. Beide laufen, auch wenn im Normalfall nur eine tatsächlich benötigt wird. Der Wirkungsgrad beider USV-Systeme liegt am unteren Limit, da maximal 50 Prozent Auslastung erreicht werden. Der Stromverbrauch der «Reserve-USV» schlägt voll auf die Energiebilanz durch, treibt die Abwärme in die Höhe und erfordert infolge dessen mehr Kühlung. Mehr Kühlung für die USV-Abwärme verringert das Kühlvolumen für die Blade-Server, reduziert also die

Anzahl möglicher Blade-Chassis im Rechenzentrum. Eine modular aufgebaute USVAnlage, wie sie der Schweizer Hersteller Newave mit seinen Conceptpower DPA anbietet, erlaubt einen stufenweisen Ausbau bei jederzeit sicher gestellter Redundanz. Die Gesamtlast wird nicht durch zwei identische Anlagen abgedeckt, vielmehr wird die modulare USV so mit Leistungsmodulen bestückt, dass im Fehlerfall eines Moduls die verbleibenden Einheiten nach wie vor die Gesamtlast tragen können. In die Systemschränke passen bis zu fünf Leistungsmodule in einer n+1 Konfiguration. Weil die Module untereinander «Load-Sharing» betreiben, ist jedes Modul zu jeder Zeit abgesichert und die USV läuft bei optimaler Auslastung mit einem sehr hohen Wirkungsrad. Das erleichtert auch die Skalierung. Im Gegensatz zu herkömmlichen Anlagen kann der Anwender mit wenigen Modulen starten und bei Bedarf aufstocken. Der Betrieb einer, vom Start weg für den Vollausbau des Rechenzentrums ausgelegten USV-Anlage, gehört damit der Vergangenheit an.

MTBF oder MTTR? Wenn es um die Verfügbarkeit geht, ist oft von der «Mean-Time-

Leistungseinbussen einer USV bei unterschiedlicher Lastcharakteristik

Wirkleistung Transformatorlose USV-Anlagen (Typisch, kW)

Wirkleistung herkömmliche USV mit Doppel-Umwandlung bei einem PF=0,8 (Typisch, kW)

kVA

300

–0,80

206

152

–0,85

220

166

–0,90 232

182

–0,95

240

214

1,00

240

0,95

240

0,90

240

0,85

240

0,80

240

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between-Failure» (MTBF) die Rede. Dieser Wert gibt eine theoretische Grösse für die Zeitspanne an, in der, statistisch gesehen, ein Bauteil ausfallen könnte. Ungünstige Umgebungsbedingungen erhöhen die MTBF ebenso wie eine grössere Zahl von Bauteilen oder ein komplexeres Schaltungsdesign. Eine modulare USV hat auf den ersten Blick eine niedrigere MTBF als ein herkömmliches Modell, da sie im Prinzip aus mehreren USVs besteht, deren Einzelteile ungünstig in die Rechnung einfliessen. Doch die Praxis sieht anders aus. Fällt ein Modul der modularen USV-Anlage aus, kann es sehr schnell, ohne Fehlersuche und Auszeit getauscht werden. Der wirklich relevante Faktor für den Anwender, die MTTR «Mean-Time-to-Repair» ist sehr niedrig. Für den Kunden bedeutet das, dass die Zeit, in der seine USVAnlage nicht redundant arbeitet, sehr kurz gehalten wird. Der Hersteller hingegen kommt ohne aufwändige Fehlersuche vor Ort aus, die normalerweise die MTTR hochtreibt. Der Techniker muss vor Ort nicht als Fehlersucher aktiv werden, er tauscht einfach das defekte Lastmodul aus. Aussendiensteinsätze dauern weniger lang und die Techniker müssen weniger Ersatzmaterial mit sich führen. Wenn es wirklich um jede Minute geht, kann der Kunde ein Lastmodul auf Vorrat halten und den Austausch selbst durchführen. So reduziert sich die Zeit ohne Redundanz auf wenige Minuten. Der erfreuliche finanzielle Effekt für den Anwender sind deutlich günstigere Wartungsverträge. Zusammen mit den Einsparungen beim Stromverbrauch, die in Zukunft einen immer grösseren Anteil haben werden, machen diese Faktoren die höheren Investitionskosten in eine modulare USV-Anlage binnen kurzer Zeit [pm] wieder wett.

Bis zu 40 % Energieeinsparungen…

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ENERGIEEFFIZIENZ Siemens Industry Automation and Drive Technologies bieten umfassende Energie- und Umweltlösungen, innovative Technologien in Produkten und Systemen, um die Energiekosten im Wachstumsmarkt Industrie zu reduzieren. Auch mit etablierten Standards wie PROFINET, der durchgängigen Vernetzung vom Büro bis in die Produktion. Weitere Informationen: Siemens Schweiz AG, Industry Sector, Industry Automation and Drive Technologies, CH-8047 Zürich, Tel. +41 (0)848 822 844, E-Mail: automation.ch@siemens.com, www.siemens.ch/automation

Answers for industry. Megalink Eco

Vor zwanzig Jahren wurde Echelon durch A. C. Markkula gegründet. Seine Idee war überall mikroskopisch kleine Computer einzubauen, die ihre lokale Umgebung beobachten und die Information untereinander austauschen. Er stellte sich eine Welt voller intelligenter Gebäude, Fabriken, Häuser und Stromnetze vor, welche diese Technologie nutzten, um effizienter zu arbeiten, Preise zu senken sowie Qualität, Produktivität und Bequemlichkeit zu verbessern. Heute sind Geräte weltweit durch diese Technologie miteinander vernetzt, damit sie Intelligenz in die Infrastruktur und Fortschritt in viele Branchen bringen können. Städte benötigen bis zu 38% ihres Energiebedarfs für die Strassenbeleuchtung.

it der Echelon-Technologie ist

M zwar eine Erhöhung der Pro-

duktivität beziehungsweise des Anwendernutzens sowieveine Senkung der Wartungskosten möglich, aber die momentan grösste Motivation, auf diese Technologie zu setzen, dürfte das immense Potenzial zur Einsparung von Energie sein. Auf Grund der Tatsache, dass die Energiekosten für die Verbraucher in Europa von jeher höher waren als in den USA, herrschte schon immer ein grösserer Anreiz, die Technologie zur Energieeinsparung zu nut-

Infos Von Hans Happ, Field Application Engineer Echelon bei EBV Elektronik in Kaarst Echelon@ebv.com www.ebv.com/lonworks

Megalink Eco

zen. So ist es auch nicht verwunderlich, dass Echelon in Europa den grössten Teil seines Gesamtumsatzes macht. Mittlerweile wird das Energiesparen mit Echelon-Produkten im Rahmen des Green-Design-Hypes auch in den USA aktiv vermarktet.

Das Grundprinzip beim Energiesparen Jeder Mensch kann relativ schnell überall Energie einsparen, wenn ihm bekannt ist, wo diese Energie verbraucht wird. Das fängt schon in der persönlichen Wohnumgebung an, denn wer weiss schon, wo jeweils zuhause unnütz Energie verbraucht wird? So ist es keine Seltenheit, dass eine Audio/Video-Anlage im Standby-Betrieb übers Jahr gesehen mehr Energie verbraucht als eine moderne Kühl/Gefrier-Kombination in der Küche. Selbst ein kleiner Klingeltrafo, der nur wenige Watt verbraucht, dafür aber im Dauerbetrieb 24 Stunden am Tag an 365 Tagen im Jahr arbeitet, wirkt sich in der Energie-Jahresbilanz aus.

Energie sparen bei der Strassenbeleuchtung Städte benötigen beispielsweise bis zu 38% ihres Energiebedarfs für ihre Strassenbeleuchtung. Der Stadt Oslo ist es jetzt mit Hilfe der LonWorks-Technologie von Echelon gelungen, ihren zur Strassenbeleuchtung benötigten Energiebedarf um 62 Prozent zu senken. Bisher wurde die Strassenbeleuchtung per Rundsteuertechnik eingeschaltet, die keinen Rückkanal bietet: In der Zentrale wurde das Einschalten der Lampen befohlen und die Verantwortlichen mussten hoffen, dass dieser Befehl auch bei den Lampen ankommt. Um keine negativen Rückmeldungen aus der Bevölkerung zu bekommen, werden die Strassenlampen daher beim herkömmlichen System relativ früh ein- sowie ziemlich spät ausgeschaltet – und zwar mit wiederholten «Ein»-beziehungsweise «Aus»-Befehlen. Mit der LonWorks-Technik ist hier ein sehr gezieltes und zuverlässi-

Energie

ges Steuern möglich. Ausserdem lassen sich die Lampen dimmen. Wenn beispielsweise der Mond nicht scheint, kann die Lampe um 15 bis 20% heruntergedimmt werden, weil dann der subjektive Eindruck des Lichts stärker ist. Auch Helligkeits- und WetterSensoren sowie VerkehrsdichteInfos und viele Zusatzdaten können bei der Einstellung des Lichtpegels jeder einzelnen Lampe berücksichtigt werden. Darüber hinaus lassen sich Wartungskosten sparen, weil die Betriebsdauer jeder Laterne exakt erfasst werden kann, während gleichzeitig ein Ausfall sofort an die Zentrale gemeldet wird. Damit kann auch die tatsächliche Funktionsdauer bis zu einem Ausfall viel genauer bestimmt werden, so dass die Austausch-Intervalle entsprechend angepasst werden können, was wiederum eine möglichst lange Nutzungsdauer des Leuchtmittels ermöglicht.

Energie sparen im Privathaus und im Büro Auch in vielen Bereichen eines Privathauses lässt sich Energie einsparen. So haben Experten des Fraunhofer-Instituts, die beim Projekt InHaus in Duisburg (siehe Kasten) tätig sind, errechnet, dass jedes Privathaus im Jahr zwischen 1000 und 2500 Euro an Energiekosten einsparen könnte

Da die Betriebsdauer jeder Laterne exakt erfasst werden kann, lassen sich Wartungskosten sparen.

und zwar ganz ohne Komfortverlust. Auch in grossen Bürogebäuden bietet die Building-Automation das Potenzial, zwischen 25 und 50 Prozent der Energiekosten einzusparen. All diese Einsparungen lassen sich nur durch intelligente Vernetzung erreichen. Beispielsweise kann auf Grund der eingespeicherten Sonnenstandsdaten, die anhand der geografischen Koordinaten ermittelt wurden, das Sonnenrollo herauf- oder heruntergefahren werden. Über Präsenzdetektoren lassen sich Geräte wie Kaffeemaschine, Kopierer,

inHaus Das Fraunhofer-inHaus-Zentrum ist die Innovationswerkstatt der Fraunhofer-Gesellschaft für neue Technologie-, Produkt- und Anwendungslösungen in Wohn- und Nutzimmobilien. Hauptziele sind mehr Effizienz beim Planen, Bauen, Betreiben und in Anwendungsprozessen. Als Schnittstelle zum Markt dienen praxisnahe Anwendungslabore für Wohnen, Büro, Service, Hotel, Veranstaltungen, Hospital und Pflegeheim in den Forschungsanlagen inHaus1 (für Wohnimmobilien) und inHaus2 (für Nutzimmobilien). inHaus-Zentrum der Fraunhofer-Gesellschaft inhaus@ims.fraunhofer.de www.inhaus-zentrum.de

Heizung etc. automatisch abschalten, wenn sich über einen längeren Zeitraum niemand in dem entsprechenden Bereich aufhält. Diese Sensoren können dann auch von anderen Systemen wie z. B. der Alarmanlage mitgenutzt werden.

Viel Potenzial im Privathaus Nicht einmal 1 Promille aller Häuser verfügt über Elemente der Haus-Automatisierung; der Höchstgrad an Automatisierung ist zur Zeit der Heizungs-Thermostat. Als Echelon vor einigen Jahren versuchte, im Bereich der Home-Automation Projekte umzusetzen, war die Resonanz noch verhalten, weil damals die Energiepreise noch erheblich niedriger waren. Mittlerweile hat sich das Blatt gewendet: Während Energiesparen mit Hilfe vernetzter Systeme früher als Spielerei technikverliebter Freaks galt, ist es mittlerweile in Mode gekommen. In Privathäusern liegt die Mindest-Investition in ein LON-Netzwerk bei etwa 2500 Euro. Bei der aktuellen Situation auf dem Markt der Strompreise dürften

Megalink Eco

Energie

ckelt und kommt auch in der Verkehrstechnik zum Einsatz. In fast jedem neueren Schienenfahrzeug vom Fernverkehrszug über die S-Bahn bis zur U-Bahn befinden sich heutzutage LON-Knoten.

LonMark-Konsortium

Bei einem LON-Netzwerk werden alle Gewerke innerhalb eines Gebäudes miteinander verschmolzen.

sich diese Investitionen in den meisten Fällen bereits nach drei Jahren wieder amortisiert haben.

Echelon bietet Komplettlösung Echelon hat seine Systeme speziell im Bereich PowerLine permanent weiterentwickelt und bietet eine Komplettlösung inklusive aller erforderlichen Protokolle in einem Chip an. Dieser Chip deckt sämtliche Kommunikationsschichten ab und sorgt gleichzeitig dafür, dass die Europäischen CENELEC-Standards eingehalten werden. Der LONStandard ist weltweit bekannt und anerkannt, sodass die entsprechende Kompatibilität gegeben ist. Dadurch fallen die grossen Hürden der Standardisierung weg, und selbst in China ist das Gerät dann vorzertifiziert. Mittlerweile hat sich LON zu einem weltweiten Standard entwi-

Die Nutzer der LON-Technologie haben sich in einem Konsortium zusammengeschlossen, um Standards festzulegen. Während die meisten Bussysteme darum kämpfen, dass das Protokoll standardisiert wird, war das Protokoll bei LON von Anfang an festgeschrieben. Selbst die Geräte der ersten Generation aus dem Jahr 1992 sind mit heutigen noch kompatibel. Aus diesem Grund konnten die Systementwickler sich darauf spezialisieren, die Applikationen zu standardisieren und so Anwendungsprofile für Pumpen, Sonnenschutz, Raumsteuerung etc. zu schaffen. Echelon hat diese Profile in die Entwicklungsumgebung eingepflegt. Wenn ein Entwickler beispielsweise ein Schalterprofil, ein Sonnenschutzprofil und eine Einzelraumregelung benötigt, dann fügt er in seinem LON-PlanungsTool mit wenigen Mausklicks diese drei Profile zu einem Ergebnis zusammen, um so seinen zertifizierbaren Source-Code zu erstellen. Natürlich lässt sich das Lookand-Feel des Geräts individuell programmieren, so dass auch eine entsprechende Differenzierung zum Wettbewerb gewähr-

EBV und Echelon: Ein erfolgreiches Team

Das Unternehmen Echelon gibt es seit 20 Jahren, und bereits seit gut 17 Jahren vertreibt EBV Elektronik die Produkte von Echelon – mittlerweile exklusiv für den Bereich EMEA. Über die Jahre hinweg hat EBV Elektronik ein über die gesamte Region EMEA verteiltes Netzwerk an trainierten EchelonSpezialisten vor Ort aufgebaut. Ausserdem ist EBV in diversen LONmark-Organisationen in Europa aktiv vertreten.

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leistet ist. Die Zertifizierung erfolgt einfach und kostengünstig, indem das neu entwickelte Gerät mit einem zertifizierten Referenzgerät verbunden wird. Anschliessend werden die einzelnen Funktionalitäten automatisch getestet.

Energiesparen mit LON in der Praxis Bei einem LON-Netzwerk werden alle Gewerke innerhalb eines Gebäudes miteinander verschmolzen, sodass eine logische Verbindung zwischen Heizung, Messen/ Steuern/Reglen (MSR), Sonnenschutz etc. besteht. Bisher kam es beispielsweise in Hotels vor, dass drei Einzelthermostate nebeneinander arbeiteten. Da diese Thermostate jeweils eine Hysterese aufweisen, stiegen vor allem in der Übergangszeit die Energiekosten immens in die Höhe, weil die Systeme gegeneinander arbeiteten: Die Heizung versuchte, die Arbeit der Klimaanlage zu kompensieren und umgekehrt. Mit Relais versuchten die Gebäudeausrüster schliesslich, diese unglückliche Situation einiger-

Wenn der Mond nicht scheint, kann die Lampe um 15 bis 20% heruntergedimmt werden, weil dann der subjektive Eindruck des Lichts stärker ist.

massen in den Griff zu bekommen. In vernetzten Gebäuden hingegen genügt ein einziger Thermostat, um eine optimale Regelung zu erzielen. Ausserdem sind mittlerweile mehrere Sensoren in einem Raum vorhanden – beispielsweise für Temperatur, Anwesenheit, Licht etc. Mit entsprechenden Sonnenschutz-Systemen ist es möglich, die oberen Lamellen so zu verstellen, dass die Decke mit Licht bestrahlt wird, um den Raum hell genug zu halten. So muss keine Energie für die Beleuchtung aufgewendet werden. Diese Funktionalität lässt sich natürlich auch umgekehrt nutzen: Wenn ein Raum nicht belegt ist und die Raumtemperatur ein paar Grad unter Soll liegt, dann würde unter normalen Umständen die Heizung aktiviert. Bei einem intelligenten System könnte zunächst der Sonnenschutz hochfahren, um so die Heizkraft der Sonne zu nutzen, wenn kein Sonnenschutz benötigt wird.

dacht ist. Im Verhältnis zum Energieverbrauch des zu steuernden Verbrauchers ist der Energieverbrauch des Netzwerks vernachlässigbar.

Zusatznutzen Der Einsatz eines iLONs spart Service-Kosten, weil in vielen Fällen kein Service-Techniker mehr an den Montageort des Netzwerks fahren muss. Sehr oft genügt die Ferndiagnose bzw. Fernsteuerung, denn über die Web-Anbindung stehen aus der Ferne die gleichen Diagnosemöglichkeiten zur Verfügung wie bei einem Anschluss vor Ort. Auch komplette Downloads sind möglich – und zwar nicht nur das Herunterladen neuer Parameter, sondern auch das Herunterladen einer kompletten Applikation, so dass sich die vollständige Software einer zusätzlichen Anwendung (oder ein Update einer bereits implementierten Software) herunterladen lässt.

Intelligentes Netzwerk

Energiesparen beim Kühlen und in der Solartechnik

In grossen Gebäuden sorgt ein Systemintegrator für die Verbindung der einzelnen Gewerke auf Netzwerk-Ebene, wobei die Integration über einen PC erfolgt, da es bei LON keine Zentrale im klassischen Sinn gibt. Es wird zwar immer eine funktionstechnische Zentrale in einem Netzwerk geben, in dem beispielsweise alle Geräte in den Zustand «Aus» geschaltet werden können. Diese Zentrale dient aber nur der einfachen Bedienung und aus Sicht des LON-Netzwerks ist sie eine Bedienungsmöglichkeit von vielen, denn die Steuerung selbst erfolgt innerhalb des intelligenten Netzwerks. Ein iLON-Netzwerkknoten, wie er im Beispiel mit den Strassenlaternen zum Einsatz kommt, ist ein Fertiggerät zur Montage auf der Hutschiene, das zur unmittelbaren Installation in der Praxis ge-

Bei McDonald’s erfolgt beispielsweise die gesamte Instandhaltung und Fernwartung der Kühlund Gefrierräume per LON. Damit lassen sich Lastspitzen vermeiden, indem z. B. die Kühlräume am frühen Morgen um 2 bis 3 Grad unter den normalen Sollwert heruntergekühlt werden, damit der Kompressor ruhen kann, wenn zum Schichtbeginn alle Herde eingeschaltet werden. Analog dazu kann auch die Lastspitze zur Mittagszeit umgangen werden. Ein weiteres Beispiel für Energieeinsparungen sind grössere Solaranlagen. Mit relativ geringen Aufwand lassen sich die Solarpanels über ein Echelon-Netzwerk so an die Wechselrichter anschliessen, dass sie je nach Sonneneinstrahlung stets mit dem grösstmöglichen Wirkungsgrad arbeite. [tm]

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Robotik

Auf hügligem Terrain, in verwinkelten Gewässern, im schlammigen Sumpf. «Chico Mendes» fühlt sich in jeder noch so ungemütlichen Umgebung pudelwohl. Mit einer Grösse von 1,20 Metern, seinen vier wendigen Beinen und einem ausgeprägten analytischen Spürsinn ist er für das Leben im 370 Quadratkilometer grossen Regenwald des Amazonas optimal gewappnet.

ie Rede ist nicht etwa von ei-

D nem exotischen Tier, sondern vom Umweltroboter des brasilianischen Energiekonzerns Petrobras. Der Roboter wurde in einem Gemeinschaftsprojekt zwischen der sozio-ökologischen Forschungsinstitution Piatam (Potential Impacts and Environmental Risks of the Petroleum and Gas Industry in the Amazon), der staatlichen brasilianischen Universität und Petrobras entwickelt. «Chico Mendes», der nach dem gleichnamigen, im Jahre 1988 getöteten Regenwaldschützer getauft wurde, hat vier Zwillingsbrüder. Zusammen mit ihnen wird er ab Mitte 2008 die Qualität von Land und Wasser entlang der neuen, 420 Kilometer langen Gas-Pipeline am Solimões und Negro untersuchen. Die Ufer der beiden amazonischen Flüsse gehören weltweit zu den grössten Ökosystemen. Die fünf Umweltroboter sind ausgerüstet, um physiochemische

Autor Ney Robinson, PETROBRAS Petróleo Brasileiro S.A. Albert Bucheli, Dipl. Ing. HTL/STV, Leiter Marketingsupport, maxon motor ag, 6072 Sachseln

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«Chico Mendes» kann sich optimal an die Regenwaldlandschaft anpassen.

Parameter wie Sauerstoffgehalt oder PH-Wert der Gewässer zu analysieren. Zudem haben sie die Ausrüstung an Board, um Moskitolarven hochauflösend zu fotografieren oder Urwald- und Flussbettgeräusche originalgetreu aufzunehmen. Von all diesen Da-

Infos maxon motor ag 6072 Sachseln Tel. 041 666 15 00 info@maxonmotor.com www.maxonmotor.com

ten, die fortlaufend elektronisch übermittelt werden, verspricht sich Piatam ein representatives Bild des ökologischen Zustands rund um die Pipeline.

Durch Sonnenenergie angetrieben Bei der Entwicklung von «Chico Mendes» hat man besonders darauf geachtet, dass sich der hybride Umweltroboter optimal an die Regenwaldlandschaft anpassen kann. So darf er im Dienste der Natur diese selbst auf keinen Fall beschädigen. Diese Spezifikationen stellten unter anderem eine besondere Herausforderung für die Antriebstechnik dar. «Chico

Robotik

Mendes» kämpft sich mit der Hilfe von elektrischen Kleinantrieben aus der Schweiz durch Schlamm, Wasser und Sumpf: Zum Einsatz kommen acht Gleichstrommotoren von maxon motor. Diese erbringen viel Leistung auf kleinem Raum und zeichnen sich durch ihre lange Lebensdauer aus. Neben den beschriebenen Eigenschaften war der geringe Energieverbrauch ein weiterer wesentlicher Punkt, der für diese DC-Motoren sprach. Mit einem Wirkungsgrad von über 90% eignen sie sich für den vorgesehenen Antrieb der Umweltroboter mit Solarenergie. Die Antriebe kommen auch bei der adaptiven Federung zum Einsatz und ermöglichen den Robotern, sich dem Terrain im Regenwald anzupassen. Die hohe Dynamik des Umweltroboters erfordert eine genauso dynamische Elektronik zur Steuerung der Gleich-

2_ML_6-7_184x130mm_bearb.indd 1

maxon A-max-Motor im Baukasten mit Magneto-Resistiv-Encoder mit dem Polrad und einem ASIC als zentrale Teile.

Die eisenlose Wicklung maxon.

strommotoren. Mit der digitalen Positioniersteuerung EPOS 70/10 können alle operierenden DCMotoren präzise gesteuert werden.

Schlüsselstellung Gleichstrommotoren Von der Servo-, Roboter- und Handhabungstechnik, dem Automobilbau, der Medizin und Chirurgie, vom Geldscheinautoma-

Rotor eines konventionellen Gleichstrommotors.

ten bis zur Computerindustrie kommt die Forderung nach Hightech-Antrieben. Die Systeme müssen platzsparend, reaktionsschnell und regelbar sein und den hohen Lebensdaueranforderungen entsprechen. Das «Herzstück» der im Folgenden be schriebenen Gleichstrom-

28.10.2008 15:22:20 Uhr

Megalink Eco

Robotik

Elektronisch kommutierter maxon EC Motor 1 Flansch, 2 Gehäuse, 3 Statorpaket, 4 Wicklung, 5 Permanentmagnet, 6 Welle, 7 Auswuchtscheiben, 8 Print mit Hall-Sensoren, 9 Steuermagnet, 10 Kugellager, 11 Vorspannung.

die spezielle Formgebung wird die Wicklung selbsttragend, auch Käfigläufer genannt. Zu jedem Motortyp stehen zahlreiche Wicklungen für optimale Anpassung an die jeweiligen Nennspannungen zur Verfügung. Erreicht wird diese Differenzierung durch den Drahtquerschnitt und die Windungszahl. Ergebnis daraus sind unterschiedliche Anschlusswiderstände der Motoren. Edelmetallbürsten und -kollektoren garantieren eine hohe Konstanz des niedrigen Übergangswiderstandes, auch nach längerem Stillstand. Graphitbürsten eignen sich in Verbindung mit Kupferkollektoren für den harten Einsatz im Umkehr- und StartStop-Betrieb. Mehrere 10 Mio. Zyklen sind erreichbar.

Elektronisch kommutierte DC-Servomotoren Drehzahl/Drehmoment-Kennlinie, eine motorspezifische Konstante.

Variable Spannung.

Elektronische Regelung.

motoren ist die patentierte eisenlose Wicklung, System maxon. Der Rotor eines konventionellen Gleichstrommotors besteht aus einem Eisenzylinder (Eisenkern oder Ankereisen) mit eingelegten Spulensegmenten. Diesem Rotor lasten ein grosses Massenträgheitsmoment, eine hohe Induktivität und daher eine lange Anlaufzeit an. Demgegenüber rotiert beim maxon-DC-motor eine reine Kupferwicklung im Magnetfeld. Durch

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Die elektronisch kommutierten DC-Servomotoren zeichnen sich aus durch ein günstiges Drehmomentverhalten, hohe Dynamik, einen grossen Drehzahlbereich und durch die Lebensdauer. Die Wicklungstechnologie erlaubt zusammen mit dem Beschaltungsverfahren «Stern» und «Dreieck» eine Vielzahl von Ausführungen. Wenn die Leistung bei stark erhöhtem Drehmoment und entsprechend reduzierter Drehzahl erbracht werden soll, so ist die Verwendung eines Getriebes notwendig. Am häufigsten werden Stirnrad- und Planetengetriebe eingesetzt. Stirnradgetriebe sind preisgünstig. Planetengetriebe eignen sich besonders zur Übertragung hoher Drehmomente. Der Einsatz von Keramik-Bauteilen führt zu einer markanten Leistungssteigerung der Getriebe. Heute werden nebst Achsen auch Planetenträger und Verzahnungsteile aus HightechKeramikwerkstoffen hergestellt.

Tacho/Encoder Ein Gleichstromtacho wird vorzugsweise zur Drehzahlregelung

eingesetzt, da die abgegebene Spannung proportional der Drehzahl ist. Der ideale Gleichstromtacho hat einen unendlich kleinen Innenwiderstand, eine sehr hohe spezifische Spannung, keinen Rippel, keine Temperaturabhängigkeit, keinen Linearitätsfehler und keinen Reversierfehler. Da diese Forderungen zum Teil gegenläufig sind, muss sich jeder Anbieter auf einen Kompromiss beschränken und seine Prioritäten bezüglich einzelner Parameter (z. B. Abmessungen, Temperaturabhängigkeit und Massenträgheit) setzen. Für Positionierungen wird ein Encoder benötigt. Das Ausgangssignal ist periodisch von der Rotorwinkelposition abhängig und hat einen rechteckförmigen Verlauf. Beim optischen Prinzip der Gabellichtschranke sendet eine LED Licht durch eine feingerasterte Impulsscheibe, die an der Motorwelle starr befestigt ist. Der Empfänger (Fototransistor) wandelt die Hell-Dunkel-Signale in entsprechende elektrische Impulse um, die in der dazugehörenden Elektronik verstärkt und aufbereitetet werden. Andere Systeme arbeiten nach dem magnetischen Prinzip. Wesentliche Vorteile sind die Miniaturisierung, die hohe Auflösung und der günstige Preis. Eine Besonderheit ist die Kombination von Gleichstromtacho und Encoder. Das drehzahlproportionale Gleichspannungssignal erlaubt mit einfachen Mitteln eine Geschwindigkeitsregelung sowie das Erkennen der Drehrichtung. Die inkrementalen Encodersignale gestatten eine genaue Positionierung.

Steuerung und Regelung Ist ein Gleichstrommotor an eine feste Spannung angeschlossen, dann folgt die Drehzahl bei jeder Belastungsänderung der Drehzahl/Drehmoment-Kennlinie. Ergibt sich in einer Anwendung unter verschiedenen Belastungen

eine zu grosse Drehzahländerung, so muss entweder ein stärkerer Motor eingesetzt oder die Betriebsspannung verändert werden. Die Drehzahl bleibt konstant. Die Kennlinie verschiebt sich parallel. Der Regler passt die Spannung dem jeweiligen Belastungszustand des Motors an. Dazu benötigt er zwei Informationen: Welche Drehzahl soll geregelt werden (Sollwert) und welche Drehzahl ist bereits vorhanden (Istwert)? Der Vergleich dieser beiden Werte ergibt eine positive oder negative Abweichung. Der Regler ändert nun die Motorspannung so lange, bis die Abweichung Null ist. Es gibt zwei Prinzipien zur Ansteuerung der Endstufentransistoren: Linear Die Betriebsspannung wird aufgeteilt zwischen Motor und Endstufe. Der Regler verändert die Spannung am Motor (UM) proportional. Die an der Endstufe abfallende Spannung (UT) verursacht Verlustleistung. Vorteilhaft ist der einfache und preisgünstige Aufbau der Endstufe. Nachteilig ist die Verlustleistung, hervorgerufen durch kleine Motorspannungen und hohe Ströme. Pulssteuerung Der Regler schaltet in kurzen Intervallen (Pulse/Takte) den Motor EIN und AUS. Wird das AUS-Intervall länger, verlangsamt er die Geschwindigkeit. Der massgebliche Mittelwert der Spannung ändert im Verhältnis der EIN- zur AUS-Zeit. Nur wenig Energie wird in Wärme umgewandelt. Die elektronisch kommutierten ECMotoren verlangen eine spezielle Steuerung. Einfache Drehzahlregelungen sind mit oder ohne Hallsensoren (im Motor) möglich. Für hochwertige Regelungen wird die Drehzahl mittels Encodersignalen erfasst. Man unterscheidet den ungeregelten Antrieb und den geregelten Antrieb – geschlossener Regelkreis. [tm]

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Messtechnik

Im Rahmen eines Projektes der EU wird in Zusammenarbeit mit russischen Partnern ein Monitoring- und Frühwarnsystem für das gesamte Flussdelta des Ob und Irtysh in Westsibirien aufgebaut. Dieses System erlaubt eine automatisierte Überwachung der Ausbreitung von Radionukliden und anderen Schadstoffen, die aus verschiedenen Industrieobjekten dieser Region in die Flüsse entsorgt werden.

as Monitoring- und Frühzur Überwachung eines Flussdeltas in Westsibierien ist hierarchisch aufgebaut und erstreckt sich entsprechend der föderalen Gliederung Russlands über drei Ebenen (Bild 1). Vor Ort auf der lokalen Ebene erfolgen Betrieb und Wartung der Stationen sowie eine einfache Validierung und Auswertung der Daten. Dies geschieht über webbasierte Zugriffe auf Datenbanken, die in den regionalen staatlichen Organisationen auf Gebietsebene (z. B. Gebiet Omsk) installiert und mit einer zentralen Datenbank in Obninsk bei Moskau repliziert werden. Während in den Regionen eine Reaktion beim Auftreten

D warnsystem

Autor/Infos A. Schlosser, H. Märten UIT – Umwelt- und Ingenieurtechnik GmbH Dresden National Instruments Switzerland Corp. 5408 Ennetbaden Tel. 056 200 51 51 ni.switzerland@ni.com www.ni.com/switzerland

50 Megalink Eco

von Warnungen (Grenzwertüberschreitungen) ausgelöst wird, ist die Zentrale für eine abschliessende Bewertung der Daten und Freigabe zur öffentlichen Verwendung, auch international, zuständig. Dazu bieten Modellierungstools und GIS-Funktionalität umfangreiche Unterstützung.

Stationskonzept Für die einzelnen Messcontainer des Monitoring- und Frühwarnsystems wurde ein modulares Konzept entworfen (Bild 2). Die Anforderungen an eine Station sind durch parallele Abarbeitung von Aufgaben der Messtechnik (Radionuklide, Fluss-, Wasser-, Klima- und Stationsparameter), der Steuerungstechnik (Energieversorgung, Probenahme, Pumpanlage und Wasserreinigung) sowie der Kommunikationstechnik (Datenspeicherung/-übertragung und Fernwartung) gekennzeichnet. Jedes der einzelnen Messoder Steuermodule kann über eine eigene Intelligenz verfügen oder diese an den Master übertragen. Einstellungen zur Grundkonfiguration wie auch für den Regelbetrieb sind dabei einheitlich durchführbar. Alle gängigen Schnittstellentypen und Schnittstellenmedien müssen ohne Ein-

Bild 1: Übersichtsstruktur des Monitoringund Frühwarnsystems.

schränkungen verfügbar sein. Um bei unterschiedlichen Ausbaustufen, unterschiedlichen Einsatzgebieten oder regionalen Modifikationen ein universelles, leicht anpassbares System zur Verfügung zu haben, soll eine modulare Erweiterbarkeit und Skalierbarkeit ohne wesentliche Änderungen in Hard- und Software gegeben sein.

Hohe Anforderungen Zusammengefasst führen diese Vorgaben zu anspruchsvollen Anforderungen an die Realisierung des Stationsmasters: hoher Grad von Zuverlässigkeit und Robustheit (Echtzeitfähigkeit, Einsatztemperaturen, mechanisch be-

Bild 2: Modulares Konzept eines Messcontainers für Monitoring-Stationen.

Messtechnik

Bild 3: PAC-basierter Entwurf.

wegte Teile), umfassende Software-Funktionalität (Datenerfassung, Steuerung, Motorik und Bildverarbeitung) sowie Einheitlichkeit und Modularität in der Umsetzung (Wartbarkeit, Erweiterbarkeit, Standardisierung und Updatefähigkeit).

Sie wurde in der Hochwasserphase nach der Schneeschmelze im Juni 2008 in Betrieb genommen und schrittweise ausgebaut (Bild 4). Die Mess- und Statusdaten werden über Mobilfunk an einen Server im Zentrum für Monitoring und Katastrophenschutz in Khanty-Mansiysk, der Hauptstadt des Autonomen Gebietes der Chanten und Mansen (Yugra) übertragen und in einer SQL-Datenbank zur Auswertung bereitgestellt. [tm]

Bild 4: Lage der Experimentalstation am Irtysh in Khanty-Mansiysk.

PAC-Lösungsansatz Zur Erfüllung dieser Anforderungen wurde ein Lösungsansatz auf Basis von PAC gewählt (PAC – Programmable Automation Controller). Die Hardware-Plattform beinhaltet dabei maximal drei Ebenen: eine typischerweise Windows-basierte PC-Plattform für Aufgaben der Speicherung, Kommunikation, Visualisierung und Wartung der MonitoringStation, eine auf einem Echtzeitbetriebssystem basierte Controller-Plattform für die Messgerätekommunikation und Messdatenerfassung sowie eine auf FPGAModulen basierte HardwarePlattform für die Steuerung von Anlagenteilen (Bild 3). Alle drei Ebenen werden mit LabVIEW programmiert und verknüpft.

Experimentalstation Zur Vorbereitung des Systemkonzeptes und der Ausarbeitung des Realisierungsansatzes wurde gemeinsam mit russischen Partnern eine Experimentalstation aufgebaut und in Betrieb genommen. Diese arbeitet vollautomatisch und beinhaltet verschiedene Messmodule zur Bestimmung der Pegelhöhe des Flusses, der Wassertemperatur, der Leitfähigkeit, der Lufttemperatur, der Gamma-Ortsdosisleistung sowie des Stationsstatus (Innentemperatur, Akku-Ladezustand und GPRS-Übertragungsqualität).

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Messtechnik

Japanische Autohersteller waren Vorreiter: Toyota und Honda gelang es, sich als Alleinvertreter des Hybridmotors am Markt zu platzieren. Nun versuchen viele andere Produzenten, verlorenen Boden gutzumachen. Ziel ist es, mit einem Hybridantrieb den Verbrauch an fossiler Energie pro gefahrenen Kilometer zu reduzieren und so die Umwelt zu schonen.

as Wort «Hybrid» kommt aus

D dem Griechischen und bedeutet «gemischt, von zweierlei Herkunft». Ein Hybridfahrzeug ist demzufolge ein Fahrzeug mit zweierlei Energiearten beziehungsweise Antrieben. Die am weitesten verbreitete Hybridvariante ist die Kombination aus einem Verbrennungsmotor (also Diesel oder Benziner) als Hauptenergiequelle und einer elektrischen Maschine mit einem elektrischen Speicher in Form einer Batterie, Brennstoffzelle oder SuperCaps (Superkondensatoren).

Eigenschaften von Hybrid-Motoren Der Hybridmotor wurde entwickelt, um den Ausstoss von umweltschädlichen Gasen zu reduzieren. In puncto CO2 können Hybridantriebe eine beeindruckende Bilanz vorweisen: Ein Fahrzeug mit einer durchschnittlichen Leistung hat im Mittel einen CO2-Ausstoss von 204 g/km, das

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entspricht einem Volumen von zirka 109 Liter CO2/km. Ein Fahrzeug mit Hybridantrieb wie der Toyota Prius erreicht dagegen einen CO2-Ausstoss von ungefähr 104 g/km, das entspricht einem Volumen von zirka 55 Liter CO2/km. Die Kombination aus Elektromotor für kurze Strecken, zum Beispiel im Stadtverkehr, und der hohen Leistung des Benzinmotors für Langstrecken verspricht eine optimale Energieausnutzung.

Sicherheitsbetrachtung Wie bei jedem Gerät mit Stromkreisen, das über Spannungen verfügt, die für den Menschen gefährlich sein können, müssen

auch beim Betrieb und Service von Hybridfahrzeugen spezielle Unfallverhütungsvorschriften beachtet werden. Die Vorschriften richten sich nach der Energieform und dem Einsatzort des Gerätes. In Hybridfahrzeugen gibt es Bordnetze mit 12 V beziehungsweise 24 V für die Standardverbraucher, zu denen zum Beispiel das Radio gehört. Zusätzlich ist ein Hochenergienetz für den Elektroantrieb mit einer Spannung bis zu 1000 VDC in Betrieb. Arbeiten am Fahrzeug können daher für Fachpersonal und Laien zu einer Gefährdung führen. Die technischen Schutzmassnahmen sind so auszulegen, dass das Berühren von spannungsfüh-

Ein Fahrzeug mit Hybridantrieb wie der Toyota Prius erreicht einen CO2-Ausstoss von ungefähr 104 g/km,

Messtechnik The power in relays and timers

Serie 7E Kompakte Energiezähler

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Die komplette Hybrideinheit des Toyota Prius, bestehend aus Verbrennungsmotor, Elektromotor und Generator, wiegt nur 107 Kilogramm.

Schutzmassnahmen und Prüfungen Folgende Schutzmassnahmen und Prüfungen sind sowohl bei der Erstinbetriebnahme als auch beim Service (Kundendienst) durchzuführen: Schutz gegen direktes Berühren beim Laden und Entladen, Schutz gegen indirektes Berühren beim Entladen (Batterie im Fahrzeug) und beim Laden der Antriebsbatterie, Isolation und Spannungsfestigkeit (Isolationswiderstand zwischen aktiven Teilen aller elektrischen Komponenten und dem Fahrzeugrahmen), Isolierung der Batterie (Isolationswiderstand zwischen Batteriepol und elektrisch leitfähigen Teilen/Fahrzeugrahmen), Spannung an Kondensatoren, Schutzart der elektrischen Ausrüstung, Prüfung der Laderegler und Prüfung des Elektromotors (Nennspannung, Leistung, Drehzahl).

Speicher ablegen und dann am PC weiterverarbeiten und dokumentieren. Für sehr genaue Strommessungen wird die interne Strommessfunktion verwendet (Auflösung bis 1 μA). Für grössere Ströme, wie zum Beispiel Anlasser, kann eine DC-Stromzange angeschlossen werden. Der mittels der Stromzange gemessene Strom wird anhand des Clipfaktors direkt umgerechnet und an[tm] gezeigt.

Messen und Prüfen der elektrischen Sicherheit Für die Messungen und Prüfungen können Isolationsmessgeräte und Isolationsprüfgeräte, Multimeter und Gleich-/Wechselstromzangen eingesetzt werden. Beispielsweise lassen sich mit dem multifunktionalen Messgerät METRAHIT ISO die Messwerte vor Ort direkt in den internen

Die digitalen Multimeter der METRAHIT-S-Serie sind feldtaugliche Geräte für den mobilen Service von Maschinen, Fahrzeugen und elektrischen Anlagen.

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renden Teilen ausgeschlossen ist. Veränderungen oder Reparaturen dürfen nur speziell eingewiesene Fachkräfte ausführen.

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In Einspeisungen, Hauptund Unterverteilungen oder bis auf die Ebene einzelner Stromverbraucher wie z.B. Werkzeugmaschinen, Campingplätze und elektrische Zapfsäulen.

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Angewandte Spitzentechnologien können wesentlich zum Umweltschutz beitragen. Für die Anstrengungen, «grüne Geräte» auf den Markt zu bringen, wurde die Firma Puls im September 2008 mit dem «Green Excellence Award» gewürdigt. Dieser wird an Firmen verliehen, die mit einem hohen Umweltbewusstsein neue Produkte mit innovativen Konzepten entwickeln und fertigen. Die so entstandenen Produkte müssen auch die Markttauglichkeit unter Beweis stellen und einen spürbaren Marktanteil erreichen.

kologische und ökonomische

Ö Gesichtspunkte müssen nicht

widersprüchlich sein. Die Firma Puls hat im Bereich Stromversorgungen bereits sehr früh begon-

Infos Alexander Erdl freier Journalist München PULS Electronic GmbH 5108 Oberflachs Tel. 056 450 18 10 info@puls-power.ch www.puls-power.ch

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nen, ökologische Aspekte sowohl bei der Geräteentwicklung als auch mit der umweltfreundlichen Gestaltung ihrer Fabriken und den zugehörigen Produktionsprozessen besonders zu berücksichtigen. Für Puls waren ökologische Aspekte nie losgelöst von wirtschaftlichen Zwängen. Das im ökologischen Sinne optimale Gerät bringt nichts, wenn es keiner bezahlen kann. Genau hier sieht das Unternehmen eine grosse Herausforderung in der Entwicklung von Geräten, die zusammen mit den ökologischen Vorteilen auch noch finanziellen Nutzen für den Anwender bringen. Dieser Doppelnutzen beflügelt und

lässt sich im Fall Stromversorgungen auch gut verwirklichen.

Geringer Eigenverbrauch und hoher Wirkungsgrad Einer der besten Beiträge zum aktiven Umwelt- und Klimaschutz ist, unnötigen Energieverbrauch zu vermeiden. Das verlangt höchste Wirkungsgrade. Hier hat es in den letzten 25 Jahren grosse Fortschritte gegeben. Verbesserte Bauteile, innovative Schaltungskonzepte und die Umsetzung neuer Ideen haben wesentlich zu diesen Erfolgen beigetragen. Alleine der bessere Wirkungsgrad eines 24V, 20A-Puls-Gerätes spart bis zu 250 kg CO2 pro Jahr, wenn der Strom in einem Wärmekraft-

Energie

Gewichte unterschiedlicher Hersteller am Beispiel einer 24 V, 20 A Stromversorgung.

werk erzeugt wird. Eine geringere Verlustleistung bedeutet weniger Wärmeentwicklung. Das minimiert den Temperaturstress an den Bauteilen und verlängert die Lebensdauer aller im Schaltschrank oder der Maschine befindlichen Komponenten.

Sparsamer Umgang mit den Ressourcen Die Grundlage für eine kompakte und leichte Bauform bei Strom-

Entwicklung der Verluste (Eigenverbrauch) am Beispiel einer 24 V, 20 A Stromversorgung

versorgungen ist ein hoher Wirkungsgrad. Stromversorgungen sind üblicherweise ein «Hot Spot» in Anlagen. Würden sie einfach nur kleiner gebaut, ginge das auf Kosten der Qualität, Zuverlässigkeit und des erlaubten Temperaturbereiches. Kompakt und leicht geht nur, wenn alles Überflüssige und grosszügig Bemessene weggelasen wird. Der

Durch Energierückspeisung können beim Burn-inTest bis zu 84% der Energie wieder verwendet werden.

ökologische Nutzen liegt dabei nicht nur beim Netzgerät selbst, sondern auch bei Schaltschränken und Maschinenteilen. Das Volumen der Geräte und Anlagen verringert sich und schafft zusätzliche Möglichkeiten der Opti mierung.

IT-Effizienz in einer neuen Dimension. Rittal together präsentiert Ihnen eine neue Effizienz-Dimension. Überzeugen Sie sich, warum diese Zeichen für «Total Efficiency» mehr als ein Versprechen sind und welche Vorteile sie für die Zukunft Ihrer IT bedeuten. Rittal together Complete IT Competence.

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Rittal SA Rue des Champs-Lovats 6 CH-1400 Yverdon-les-Bains

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Langlebiges Design Das Verstehen der Mechanismen, die zum schnellen «Verschleiss» und zum Altern der Stromversorgungen führen, ist eine Grundvoraussetzung, um langlebige Geräte zu entwickeln. Hierfür ist in erster Linie ein thermisch ausgeklügeltes Konzept erforderlich, welches kritische Bauteile in kühle Zonen platziert und die restlichen Zonen mit den weniger kritischen Bauteilen füllt. Dies steht oftmals im Widerspruch zu den elektrischen Anforderungen, aber genau darin liegt die Kunst einer guten Entwicklung. Für die Umwelt, wie auch für den anwender bringt das insofern Vorteile, dass weniger Ressourcen verbraucht werden, weniger Serviceeinsätze durchgeführt werden müssen und damit weniger Kosten entstehen. Maschinen und andere Investitionsgüter haben typischerweise eine Laufzeit von mindestens 15 Jahren. Eine Stromversorgung, die 15 Jahre ihren Dienst tut, belastet die Umwelt deutlich weniger als 2 Geräte mit jeweils 71/2 Jahren Lebenserwartung.

Die ökologische Fabrik Das neue Werk von Puls in der tschechischen Republik führt den Gedanken des Energiesparens weiter. Das Ziel war, eine «grüne» Fabrik zu bauen, die den Anforderungen einer modernen Produktion gerecht wird. Mit eines ausgeklügelten Lüftungssystem kommt das Werk gänzlich ohne Klimaanlagen aus. So kühlt im Sommer zu Nachtzeiten die Luft den Betonkern der Gebäudestruktur und sorgt tagsüber für ein angenehmes Klima. Das Gebäude ist so konzipiert, dass natürliches Tageslicht einen wesentlichen Beitrag zur Beleuchtung liefert. In der Produktion selbst werden neue Verfahren erprobt, um den Energieverbrauch zu minimieren. Um die hohe Auslieferqualität der Geräte sicherzustellen, durchläuft jede Stromversorgung einen mehrstündigen Dauertest

2_ALTRAC_bearb.inddMegalink 1

Eco

25.3.2008 15:00:08 Uhr

Entwicklung der Baugrösse am Beispiel von PULS 24 V, 20 A Stromversorgung.

(Burn-in Test) unter Volllast und verbraucht dabei jede Menge Energie. Hierfür werden spezielle Dauertest-Einrichtungen entwickelt, die mit Energie-Rückgewinnung arbeiten und den Laststrom wieder ins Netz zurückspeisen. Der Stromverbrauch lässt sich damit auf etwa 16% reduzieren. Mit den eingesparten Energiekosten durch Energierecycling rechnet sich diese Anlage bereits nach fünf Jahren.

Ausblick Der Schwerpunkt der Weiterentwicklung wird bei einer Verbesserung der Wirkungsgradwerte liegen. Daraus leiten sich die kleine Bauform und die lange Lebensdauer ab. Neben dem VolllastWirkungsgrad werden die Werte bei Teillast eine höhere Bedeutung bekommen. [tm]

Energiesparbroschüre Auf der Website von Puls Electronic steht unter anderem eine Energiesparbroschüre zum Download bereit. www.puls-power.ch

Ideal für Applikationen, bei welchen kleinere Dimensionen und erhöhte Anforderungen erfüllt werden müssen.

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Mit der RP-Serie ergänzt Mean Well das bestehende Programm mit kompakten Open Frame Stromversorgungen. Durch eine neue umweltschonende Schaltungstechnologie wird der Leerlaufverbrauch auf weniger als 0.75 W reduziert. Die 60W Version entspricht den Abmessungen 4“x 2“ und kann kurzfristig mit einer Peak Leistung von 66 W betrieben werden. Die 75 W Version misst 5“x 3“ und kann mit einem Lüfter bis zu 100 W liefern. Beide Versionen sind mit Single-, Dual- und Triple-Ausgang erhältlich. Die Netzteile wurden für die Medizin-Normen EN60601-1 und UL60601-1 zugelassen. Der Weitbereichseingang von 90-264 Vac und der Temperaturbereich von –20°C bis +70°C erweitern den Einsatzbereich zusätzlich.

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Mit gerade mal 22.5mm Breite bei 10/20W, 40mm Breite bei 40/60W und 55mm Breite bei 100W eignet sich die neue MDR-Serie hervorragend bei knappen Platzverhältnissen im Schaltschrank. Die einfache Montage auf DIN-Schiene sowie die übersichtliche Anordnung der Anschlüsse erleichtert zudem den Einbau. Der Weiteingangsbereich von 85-264Vac sowie internationale Sicherheitszulassungen ermöglichen zudem weltweiten Einsatz. Mittels DC OK Signal lassen sich die Stromversorgungen auch von extern überwachen. Der Temperaturbereich von –20…+70°C (Derating ab 50°C) erlaubt auch den Einsatz unter schwierigen Bedingungen. Die Netzteile sind in den Spannungen 5, 12, 15 und 24V erhältlich.

Die CLG-Serie wurde speziell für OutdoorApplikationen entwickelt. Mit dem IP67 Schutz ist das Netzteil gegen äussere Einflüsse geschützt und kann daher ohne zusätzlichen Aufwand unter Extrembedingungen eingesetzt werden. Speziell für LED-Anwendungen erschliesssen sich mit diesem Netzteil neue Möglichkeiten. Die Stromversorgung im robusten Metallgehäuse ist als 60 W und 100 W Ausführung mit Spannungen von 12 - 48 V erhältlich. Die Betriebstemperatur von –30 bis +70°C (Derating ab 50°C) erweitert zusätzlich die Einsatzmöglichkeiten. Durch den Weitbereichseingang von 90-264 Vac und die internationalen Sicherheitszulassungen kann das Netzteil problemlos weltweit eingesetzt werden. Simpex Electronic AG Tel.044/93110 30, www.simpex.ch

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Energie

Politische Initiativen wie das Kyoto-Protokoll haben Anreize und Anforderungen gebracht, die das öffentliche Interesse auf der Suche nach weniger schädlichen Energiequellen gelenkt haben. In die gleiche Richtung wirken Kostensteigerungen bei vielen Energiearten, sodass alternative Energien wie die Solarenergie immer interessanter werden. Dabei sind neue Designs entstanden, die solche Energiequellen mit einem Höchstmass an Wirtschaftlichkeit und Wirkungsgrad nutzen.

ei «netzgestützten» Systemen

B kann man den Solarstrom auf

zwei Wegen in das Stromnetz einspeisen. Entweder ist das So-

larzellen-Array an einen Umrichter angeschlossen, der über einen Transformator mit dem Netz verbunden ist (Bild 1) oder der Umrichter wird direkt ohne einen Transformator an das Netz angeschlossen (transformatorloses System, siehe Bild 2). Als weitere Lösung könnten mit der Elektrizität Akkumulatoren geladen werden, die eine autonome Installation versorgen. Solche «netzfernen» Systeme werden für abseits liegende Gebäude, z. B. in Bergwerken oder in entlegenen Orten in Australien oder Kanada, oder in Dörfern in Ländern der Dritten Welt eingesetzt. Mit solchen Installationen können auch Strassenbeschilderungen oder Beleuchtungen versorgt werden.

Die Anwendung bestimmt den Umrichtertyp Moderne Solar-Umrichter können heute Leistungen von 500 W bis 100 kW verarbeiten, und selbst Installationen mit einer Kapazität bis 500 kW sind möglich. So kann z. B. die Dauerbeleuchtung eines unterirdischen Parkhauses für ein grosses Stadion sichergestellt werden. Anlagen-Lebenszeiten bis 20 Jahre sind möglich. Je nach beabsichtigtem Netzanschluss und geplanter Leistung können beide Systemtypen (mit

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oder ohne Transformator) einen Einphasen-Ausgang (für Systeme geringer Leistung) oder einen Drehstrom-Ausgang (für höhere Leistung) besitzen. Abhängig von den Design-Zielen für ein System werden heute zwei oder drei verschiedene Umrichter-Typen eingesetzt. Kriterien für die Wahl passender Umrichter sind Abmessungen, Gewicht, Robustheit, elektrische Isolation vom Netz, Preis, Wirkungsgrad und Verlustleistung. Bei allen Arten von Solar-Umrichtern spielt die Strommessung eine wichtige Rolle, wenn es um die Verbesserung des Wirkungsgrads und den Schutz des Systems geht.

Messen der Ein- und Ausgänge Weil keine Trafo-Verluste anfallen, bietet das transformatorlose Design den besten Wirkungsgrad. In dieser Konfiguration wird zur Anpassung der Spannung aus den Arrays an die Umrichter-Eingangsspannung ein Aufwärtswandler (Gleichstromwandler) zwischen PhotovoltaikArrays und Umrichter (DC/AC) eingesetzt. Direkt hinter den PhotovoltaikArray wird oft ein Maximum Power Point Tracking (MPPT) Modul geschalten. Dieses stellt sicher, dass das Array an seinem

Energie

Arbeitspunkt mit maximaler Leistung betrieben wird. Dabei werden die Arbeitspunkte der Panels (Zellen) über einen speziellen Software-Algorithmus und eine Spezialelektronik anhand der Messsignale von Strom- und Spannungs-Wandler gesteuert. Dabei dient ein Stromwandler zur Messung des Einphasen-Ausgangs und ein anderer zur Messung des Eingangs-Gleichstroms. Bei einem Drehstromausgang werden zwei Wandler zur Messung des Wechselstroms am Dreiphasen-Ausgang einghesetzt. Der mit dem Netz verbundene Wechselrichter ist als Vollbrückenschaltung aufgebaut und wandelt das Gleichstromsignal in einen sinusförmigen Wechselstrom um.

Das Solarzellen-Array ist an einen Umrichter angeschlossen, der über einen Transformator mit dem Netz verbunden ist.

Beim transformatorlosen System ist der Umrichter direkt an das Netz angeschlossen.

Kein Gleichstrom ins Netz Der in das Netz eingespeiste Umrichter-Ausgangsstrom (15 bis 50Aeff ) wird über einen Wandler gemessen. Dieser liefert ein Rückkoppelsignal an den Controller, der seinerseits die Pulsbreitenmodulation für die Erzeugung der Sinuswelle steuert. Solche Controller enthalten meistens Mikroprozessoren oder digitale Signalprozessoren, die mit +5 V Versorgungsspannung arbeiten und Spannungsreferenzen zusammen mit anderen aktiven Komponenten des elektronischen Steuerungssystems verwenden. Der Stromwandler lässt sich zur Spitzenstrommessung sowie für einen Vergleich der echten Werte in Bezug auf die Arbeitspunkte einsetzen. Der Umrichter nutzt die Stromwandler im Steuersystem für die Ausgangsfrequenz. Ausserdem kann der Umrichter innerhalb kurzer Zeit (weniger als 2 s) abschalten, sobald sich die Frequenz ausserhalb eines vordefinierten Bereichs befindet. Offset und Temperaturdrift sollten dabei optimiert werden, denn auf der Netzseite dürfen die

Grenzwerte für die GleichstromKomponente nicht überschritten werden. Eine wichtige Anforderung für den Netzanschluss ist, dass kein Gleichstrom in das Netz eingespeist werden darf. Gleichströme, die als Folge vom Wandler-Offsets oder der IGBT-Kommutierung entstehen, würden den Transformator in die Sättigung treiben, wodurch mehr Verlustleistung anfiele und Oberwellen ins Netz eingespeist würden. Bei Konfigurationen ohne Transformator ist dies weniger problematisch.

lich ist, oder ob nur eine Grenzwertüberschreitung erkannt werden muss. In zukünftigen Designs könnte Gleichstrom kompensiert werden. Der Gleichstromanteil lässt sich aus einer Mittelwertmessung des Wechselstroms berechnen, denn dieser entspricht dem Gleichstromanteil. Daher sollte der DC-Offset des in der Steuerschleife eingesetzten Stromwandlers so klein wie möglich sein. Dazu werden neue Umrichter-Topologien entwickelt. [tm]

Gleichstrom kompensieren Jedes Land schreibt andere zulässige Werte vor, eine gängige Anforderung sind aber 0,5 bis 1% des Nenn-Ausgangsstroms. Manche Länder geben auch feste Grenzwerte vor, wie z. B. 20 mA in Grossbritannien, 1 A in Deutschland und den Benelux-Ländern, 100 mA in Japan oder 50 mA in China und den USA. Überschreitet der eingespeiste Gleichstrom diese Grenzwerte, so muss das System vom Netz getrennt werden. Es ist unklar, ob eine Messung des Gleichstroms erforder-

Infos Stéphane Rollier, LEM Simpex Electronic AG 8620 Wetzikon Tel. 044 931 10 30 contact@simpex.ch www.simpex.ch

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Highlight

Minkels feierte im Rahmen einer Kundentagung am 23. Oktober das 25-Jahre-Jubiläum. Minkels stellt modular aufgebaute Netzwerk- und Serverschränke sowie mechanische Komponenten für die Gebäudeverkabelung und Telekommunikation her. ie Minkels AG wurde vor 25

D Jahren von der Familie Gut un-

ter dem Namen Alumatic AG gegründet. In der Folge importierte das Unternehmen Netzwerkschränke von Minkels Holland, die Entwicklung und die Herstellung der OEM-Produkte wie zum Beispiel der Patch Panels erfolgte in der Schweiz. Im Laufe der Zeit richtete sich die zur AEGIDE Gruppe gehörende Firma auf die ITBranche aus und verstärkte die Konstruktion und Entwicklung. 1995 ist die Alumatic AG an die Minkels Holding übergegangen und 2001 auf Minkels AG umfirmiert worden.

So zeigt der Showroom diverse Lösungen für Datencenter: Verschiedene Arten der Kühlung, Möglichkeiten von Glasfaser- und Kupferverkabelungen, Stromversorgungen oder diverse Schranksysteme. Minkels ist nicht nur ein Spezialist in der Blechbearbeitung, sondern kennt auch die Problematik der Klimaversorgung, der elektrischen Versorgung und des Kabelmanagements. Dadurch ist Minkels in der Lage, hochstehende Elektronik präzise, sicher und kostenorientiert und auf wunsch kundenspezifisch zu «verpacken».

Flexible Fertigung Spezialist für Kühlung und Blechbearbeitung Ein Betriebsrundgang während der Kundentagung am 23. Oktoter bot einen Einblick in die Leistungsfähigkeit von Minkels und demonstrierte die starke Verankerung im Bereich Datencenter-Lösungen.

Markus Petermann, Geschäftsführer Minkels AG, bei der Ansprache an der Kundentagung.

In der Konstruktionsabteilung setzt das über 20 Personen grosse Unternehmen ein 3D-CAD-Programm ein, das die Visualisierung eines Teils ermöglicht, bevor ein Prototyp gebaut wird. Daneben verfügt Minkels über einen eigenen Siebdruck, um noch besser auf Kundenwünsche eingehen zu können. Sämtliche Schränke werden auftragsbezogen montiert, wobei dank der eigenen Produktion und der modularen Bauweise rasch auf Kundenwünsche eingegangen werden kann.

Minkels produziert Server- und Netzwerkschränke als modulare Systeme für alle Bedürfnisse sowie mechanische Komponenten für die universelle Gebäudeverkabelung und Telekommunikation.

• Minkels Cold Corridor Lösung, hält die Temperatur zwischen Boden und Dach der Schränke konstant. Die Server können in jeder beliebigen Position im Schrank eingesetzt werden. Dies ermöglicht eine höhere Leistungsdichte im Serverraum. • Minkels LAN-Rack, ein multifunktionales System für den Einsatz von UGV-Panels, Glasfaserendverschlüsse, Telefoniepanels oder Switches und Router. Es zeichnet sich aus durch gute Zugänglichkeit beim Verkabeln und ermöglicht ein einfaches Montieren von Distanzträgern, Seitenwänden und Türen. [pm]

Produkte-Highlights • Minkels wassergekühltes Rack, eine effiziente Klimatisierungslösung für Schränke mit hoher Serverdichte • Minkels High Density Lösung, ein System, das auf dem Prinzip der leistungsabhängigen Kühlung und der konsequenten Kalt-Warmlufttrennung beruht

60 Megalink Eco

Infos Minkels AG 6330 Cham Tel. 041 748 40 60 verkauf@minkels.ch www.minkels.ch

Highlight

Das Thema Energieeffizienz spielt für Unternehmen und Betreiber von Rechenzentren eine immer wichtigere Rolle. Da die Kosten für die Energieversorgung und Kühlung der IT-Komponenten ständig steigen – inzwischen liegen sie bei bis zu 50 % des IT-Budgets – sind IT-Abteilungen in zunehmendem Masse daran interessiert, Energie einzusparen. Rittal unterstützt sie dabei mit einem zukunftsweisenden ganzheitlichen Lösungsspektrum für energieeffiziente, sichere und hochverfügbare IT-Infrastrukturen.

eben den Servern sind die «Stromfresser» im Rechenzentrum in der Klimatisierung und in der Stromversorgung zu finden. Auf effiziente Systeme umzuschalten ist in diesen Bereichen deshalb besonders sinnvoll. Rittal unterstützt IT-Verantwortliche und Rechenzentrumsbetreiber mit Lösungen, die dafür sorgen, dass die RZ-Infrastruktur an sich Energie spart. In der Energieabsicherung helfen besonders leistungsstarke USVs, Kosten zu reduzieren. Durch den hohen Wirkungsgrad von bis zu 95 % können, über die typische Lebensdauer betrachtet, mehrere Tausend Euro eingespart werden. Optimal ergänzen lassen sich die USVs durch den Batterie-Manager RiBat, der die Lebensdauer einer USV-Batterie um bis zu 30 Prozent verlängert.

Luft/Wasser-Wärmetauscher Liquid Cooling Package (LCP). Ergänzt wird das Klimaangebot durch IT-Chiller- und Free-CoolingKonzepte. Mit diesem ganzheitlichen Lösungsansatz können effiziente Klima-Konzepte für die unterschiedlichsten Anforderungen massgeschneidert werden. Weiteres Einsparpotenzial bietet eine intelligente Überwachung wie das Computer Multi Control Top Concept (CMC-TC) von Rittal. Der sensorbasierte Überwachungs-Manager lässt sich nicht nur zum Schutz vor Einbruch, Feuer und anderen potenziellen Schäden einsetzen, sondern auch um die Effizienz der Systeme zu kontrollieren. Durch die Messung der Temperatur können beispielsweise Hot-Spots aufgezeigt und so die Klimatisierung verbessert werden.

Effiziente Klimakonzepte

Ganzheitlicher Ansatz

Zweiter zentraler Bereich der «Spar-Offensive» ist die Klimatisierung. Durch den intelligenten Einsatz der Rittal-Klimalösungen lassen sich die Klimatisierungskosten um bis zu 50 % senken. Rittal analysiert, berät und bietet ein umfassendes Spektrum von der GangSchottung, über Umluft-Klimasysteme bis hin zum Hochleistungs-

Die Komplettlösung für IT-Infrastrukturen RimatriX5 bündelt die Bausteine Racks, IT-Klimatisierung, Stromversorgung und -verteilung sowie Sicherheit, Monitoring und Remote Management in einem System. Das Stichwort in diesem Zusammenhang lautet «Pay as you grow»: Ein skalierbares und modular aufgebautes Re-

N grössten

Rittal bietet zukunftsweisende und ganzheitliche Lösungen für energieeffiziente, sichere und hochverfügbare IT-Infrastrukturen.

chenzentrum lässt sich jederzeit flexibel an den jeweiligen Bedarf des Unternehmens anpassen und hilft so beim Vermeiden von Mehrkosten durch Fehlplanungen in Anschaffung und Betrieb. Mit RimatriX5 wird den IT-Verantwortlichen genau die Werkzeuge in die Hand gegeben, die sie zum Senken des Stromverbrauchs ihrer IT-Infrastrukturen benötigen. Das spart Kosten und hilft Umweltbelastungen zu re[tm] duzieren.

Infos Rittal AG 5432 Neuenhof Tel. 056 416 06 00 rittal@rittal.ch www.rittal.ch

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Highlight

In den Fabrikationsbetrieben sieht man häufig grosse, schwere Montagemaschinen und Automaten, die kleine Teile von wenigen 100 Gramm bewegen und verarbeiten. Teilegrösse und Automatengrösse stehen in einem sehr schlechten Verhältnis. Dies ist ineffizient, da zu viel unnötiges Gewicht bewegt wird und die Maschinen zu viel Platz beanspruchen. Kompakte Linearmotoren ermöglichen kleinere Maschinen, die weniger Standfläche benötigen und Ressourcen sparen.

ontagemaschinen und Auto-

M maten, die kleine Teile von

wenigen 100 Gramm bewegen, sind oft überdimensioniert. Dadurch benötigen sie grosse und teure Räume, die beheizt und klimatisiert werden müssen. Dies schlägt sich direkt auf die Produktions- und Investitionskosten nieder. Es spricht alles dafür, Maschinen und Apparate kleiner und leichter zu bauen. Die kompakten Linearmotoren Linax von Jenny Science helfen den Maschinenbauern, die Antriebseinheiten leichter und platzsparender auszuführen.

Präzis bewegen auf engem Raum Die hochwertigen Linearmotoren von der Schweizer Firma Jenny Science AG sind sehr klein, leicht und verfügen über einfache Geo-

Infos Jenny Science AG 6039 Root-Längenbold Tel. 041 455 44 55 www.jennyscience.ch info@jennyscience.ch

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metrien. Dies senkt die bewegten Massen wodurch weniger Energie benötigt und eine höhere Dynamik erreicht wird. Die patentierte Monoblockbauweise ermöglicht die Verschraubung durch den Motorblock hindurch und macht aus den einzelnen Linax-Linearachsen ein Baukastensystem. Mit dieser Direktverschraubung werden keine Zwischenplatten benötigt, wodurch das System leichter und kleiner wird.

Direktantrieb für hohen Wirkungsgrad Die Linax-Linearachsen sind alle mit direkt angetriebenem Linearmotor ausgerüstet. Linearmotoren bauen ihre Vortriebskräfte horizontal, direkt zwischen der stationären Wicklung und den beweglichen Magneten auf (ähnlich wie Magnetschwebebahnen). Im Vergleich zu Riemen- oder Spindelantrieben treten dadurch konstruktionsbedingt praktisch keine Reibkräfte auf. Da keine

Die Linax-Linearmotoren von Jenny Science sind dank baukastenmässiger Direktverschraubung sehr kompakt und leicht.

Highlight

Exklusiv: 200 kW USV-Leistung auf 0.6 m2

Die direkt angetriebenen Linearmotoren ermöglichen präzise Bewegungen auf engstem Raum für die Montage von Steckerpins.

Zahnriemen oder Spindeln verschleissen können, bleibt die hohe Positioniergenauigkeit der Linearmotoren jederzeit erhalten. Dies spart Ressourcen und erhöht die Effizienz.

Schrauben schnell und präzise festdrehen Schraubautomaten montieren die unterschiedlichsten Produkte, vom elektrischen Fensterheber über Rasierapparate bis zu Mobiltelefonen. Die Montageautomaten von Deprag Schulz stehen weltweit im Einsatz. Kleinere Maschinen würden kleinere Produktionsräume ermöglichen. Für die Kunden wäre es interessant, so den Fläche- und Ressourcenverbrauch zu reduzieren und gleichzeitig die Investitions- sowie Produktionskosten zu senken. Schraubautomaten mit geringerem Raumbedarf sind deshalb die Lösung der Zukunft. Darum verwendet Deprag Schulz die kompakten Linerachsen Linax und die Xenax Ethernet-Servocontroller von Jenny Science.

Kompakter Montageautomat mit Doppelschrauber, der 50% weniger Platz benötigt als die frühere Generation. Der Energieverbrauch sank dank geringeren bewegten Massen und Linearmotor-Direktantriebstechnik deutlich.

Kompakte Maschinen fertigen Spezialstecker Hochwertige Spezialstecker werden in verschiedensten Varianten und gleichzeitig kleinen Stückzahlen gefertigt. Um kurze Durchlaufzeiten zu erzielen und dabei den hohen Qualitätsanforderungen zu genügen, bietet sich eine halbautomatische Fertigung an. Dank den kleinen X-Y-Linearachsen mit Linearmotor von Jenny Science konnte die Komax AG aus Rotkreuz den Halbautomaten sehr kompakt dimensionieren. Die Ansteuerung der Linearachsen erfolgt über eine Siemens S7 SPS. Diese kommuniziert über Ethernet TCP/P mit den Xenax Servocontrollern, welche die Linax-Linearachsen ansteuern. Die Maschine kann in weniger als zwei Minuten auf einen neuen Steckertyp umgerüstet [pm] werden.

Kleine Linearachsen Guido Späni, Software Engineer Komax AG: «Wir wollten eine möglichst kompakte Maschine bauen und waren auf der Suche nach Linearachsen mit kleinsten Abmessungen. Mit den Linax-Linearachsen von Jenny Science hatten wir zusätzlich den Vorteil, dass keine Kabelschleppkette notwendig war, da sich bei diesen Linearmotoren der Magnetschlitten bewegt. Die positiven Erfahrungen zeigen nun, dass diese Entscheidung richtig war. Wir werden bei ähnlichen Applikationen wieder diese Linearachsen einsetzen.»

Conceptpower DPA TM • VFI-SS-111-System mit Doppelumwandlung 8 kW bis 200 kW • 200 kW pro Systemrack = 340 kW/m2 • Sinusförmiger Eingangsstrom mit THDi < 2% bei 100% Last • Konstante Nennleistung in kW bei einem Ausgangsleistungs-Faktor von 0.9 (kapazitiv) bis 0.8 (induktiv) • Dezentrale, redundante Parallelarchitektur • Modulare, unabhängige Safe-Swap-Module – bei laufendem Betrieb erweiterbar «Safe-Swap» • Einfache Leistungserweiterung • Optimale Servicefreundlichkeit • ESIS-Technik (Energy Saving Inverter Switching) • Hohe Wirkungsgrade bei Teil- und Nennlast (bis 96% bei 100% Belastung) • Fernüberwachung mit NewavewatchTM für eine unverzügliche Fehlerortung und kontinuierliche Überwachung Ihr Spezialist für unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV)

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Impressum MegaLink Eco ist integrierter Bestandteil von MegaLink Precision der Ausgabe 11-08

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Auflage 13500 Exemplare

Firmen in dieser Ausgabe ABB Schweiz AG

3, 7, 16

Altrac AG

APC by Schneider Electric

APC Switzerland

B&R Industrie-Automation AG

Bosch Rexroth Schweiz AG

21, 22

CTA Energy Systems AG

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EBV Elektronik GmbH & Co. KG Econotec AG

4, 9, 42 2

Endress+Hauser Metso AG

MegaLink Precison, Neumattstrasse 1, 5001 Aarau Chefredaktor: Patrick Müller, 058 200 56 59 patrick.mueller@megalink.ch [pm] Redaktor: Thomas Meier, 058 200 56 41 thomas.meier@megalink.ch [tm]

Finder (Schweiz) AG

GMC-Instruments Schweiz AG

Anzeigen

Minkels AG

Willi Dennler, 058 200 56 43 Thorsten Krüger, 058 200 56 32

National Instruments Switzerland Corp.

Redaktion

Administration Verena Müller, 058 200 56 42

Produktion/Layout Ursula Urech, Bernhard Kettner

HY-LINE AG

IBM Schweiz

Jenny Science AG

47, 62

maxon motor ag

4, 46 60 2, 50

Omni Ray AG

Omron Electronics AG

Phoenix Mecano Komponenten AG

Pilz Industrieelektronik GmbH

Puls Electronic GmbH

23, 54

Drucktechnische Herstellung

Rittal AG

55, 61

Vogt-Schild Druck AG, Gutenbergstr. 1 4552 Derendingen, www.vsdruck.ch

Saia-Burgess Controls AG

SATOMEC AG

Erscheinung, Abonnement MegaLink Precision erscheint 12 x jährlich, Abopreis Fr. 85.– (inkl. 2,4% Mehrwertsteuer)

ServiceNet AG Siemens Schweiz AG Automation and Drives Simpex Electronic AG

38, 63 8, 41 57, 58

Zeitschrifen im selben Verlag

Spectra (Schweiz) AG Industrial IT & Automation

Technica – Elektrotechnik ET – HK-Gebäudetechnik – Bâtitech – KOCHEN – Natürlich – FIT for LIF

Stolz Electronics AG

Systronics AG

The Math Works GmbH

www.megalink-precision.ch

64 Megalink Eco

Und mit welcher neusten Technik dürfen wir Sie überraschen? Unsere Produkte und Lösungen für den Maschinenbau der Zukunft umfassen ein äusserst breites Spektrum an energieeffizienter Spitzentechnologie in den Bereichen: Niederspannungsprodukte, Leitsysteme und SPS, Messgeräte und Sensoren, Frequenzumformer, Motoren, Servoregler und -motoren, Roboter, Instrumentierung, Spannungsregler, Synchronisiersysteme, komplexe Bearbeitungsteile und Werkzeuge. Und was dürfen wir für Sie entwickeln, herstellen, montieren, in Betrieb setzen und warten? www.abb.ch

ABB Schweiz AG Brown Boveri Strasse 6 CH-5400 Baden Tel. +41 58 585 00 00 www.abb.ch