Energieanwendungstechnik: Wege und Techniken zur effizienteren Energienutzung (VDI-Buch), 1. Auflage GERMAN

Energieanwendungstechnik

Manfred Rudolph · Ulrich Wagner

Energieanwendungstechnik Wege und Techniken zur effizienteren Energienutzung

123

Dr.-Ing. habil. Manfred Rudolph Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Technische Universität München 80290 München [email protected]

ISBN 978-3-540-79021-1

Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Technische Universität München 80290 München [email protected]

e-ISBN 978-3-540-79022-8

DOI 10.1007/978-3-540-79022-8 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. c 2008 Springer-Verlag Berlin Heidelberg  Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z. B. DIN, VDI, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewähr für die Richtigkeit, Vollständigkeit oder Aktualität übernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls für die eigenen Arbeiten die vollständigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils gültigen Fassung hinzuzuziehen. Satz: Digitale Vorlage des Autors Herstellung: le-tex publishing services oHG, Leipzig Einbandgestaltung: WMX Design, Heidelberg Gedruckt auf säurefreiem Papier 987654321 springer.de

Vorwort Wenn heute das Thema Energie mehr denn je im Fokus der öffentlichen Aufmerksamkeit steht, hat das seine guten Gründe: Dazu gehört die nicht prognostizierbare Entwicklung der Energiepreise vor dem Hintergrund der sich abzeichnenden Reserven, aber auch der vermutete Treibhauseffekt. Zu Recht treibt uns die Sorge um, wie wir künftig unseren Energiebedarf decken können, ohne an unserem erreichten Wohlstand allzu große Abstriche machen zu müssen. Die Frage nach der Herkunft der Energie beleuchtet das Problem aber nur von einer Seite. Genauso wichtig ist die Frage: Was tun wir mit der Energie, die wir verbrauchen? Und welche Möglichkeiten haben wir, sparsam mit dieser mittlerweile als kostbar erkannten Ressource umzugehen? Vor mehr als 60 Jahren hat H.F. Mueller, der Begründer der Forschungsstelle für Energiewirtschaft, das Feld abgesteckt, das danach von unserem Lehrer H. Schaefer intensiv bearbeitet und anlässlich der ersten Ölpreiskrise vor nunmehr 35 Jahren auch erstmalig einer breiteren Öffentlichkeit bekannt gemacht wurde. Mit diesem Buch unternehmen wir zum ersten Mal den Versuch, das Thema Energieanwendung möglichst umfassend zu behandeln. Dabei stützen wir uns auf die reiche Ansammlung von Fachwissen, die auf diesem Gebiet am Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik der TU München seit der Gründung 1970 gewonnen wurde. In diesem Sinne gilt unser Dank allen gegenwärtigen und früheren Mitarbeitern für die vielfältige Unterstützung. In unseren langen Jahren als Hochschullehrer haben wir gelernt, wie wichtig ! und wie schwierig ! es ist, den richtigen Mix aus Grundlagen und Fakten zusammen zu stellen. Haben wir uns doch das ehrgeizige Ziel gesteckt, Interesse zu wecken, eine klare Sicht zu schaffen und das nötige Detailwissen zu vermitteln. Wenn die Studierenden der einschlägigen Ingenieur- und Naturwissenschaften sowie all jene, die im Beruf mit dem Thema Energie befasst sind, Nutzen daraus ziehen können, dann hätten wir dieses Ziel erreicht. München, im Juni 2008

Manfred Rudolph Ulrich Wagner

Inhalt 1

Einführung und Grundbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

Energietechnik in der Menschheitsgeschichte . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Terminologie der Energieanwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Energieverbrauch in der Volkswirtschaft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Rationelle Energieverwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Ganzheitliche Bewertung von Systemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2

Deckung von Prozesswärmebedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.1 2.2 2.3

Struktur und Bedeutung der Prozesswärme in der Industrie . . . . . 19 Industrielle Wärmeprozesse und Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Betriebsverhalten wärmetechnischer Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.3.1 Grundsätzlicher Aufbau und Funktionsprinzipien . . . . . . 31 2.3.1.1 Standanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.3.1.2 Durchlaufanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.3.2 Energetische Bilanzierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.3.3 Stationäres Betriebsverhalten in Abhängigkeit vom Lastgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.3.4 Betriebsverhalten im instationären Zustand . . . . . . . . . . . 45 2.3.4.1 Abkühlung einer Ofenwand . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.3.4.2 Verhalten bei Betriebsunterbrechung . . . . . . . . . 53 Energetische Analyse von Betriebszeiträumen . . . . . . . . . . . . . . . 56 2.4.1 Charakteristische Zeitabschnitte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 2.4.2 Kenngrößen für die Auslastung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2.4.3 Bestandteile des Energieverbrauchs . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 2.4.4 Betriebstechnische Kennlinienfelder . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

2.4

3

Raumheizung und Klimatisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

3.1 3.2 3.3

Bedeutung und Struktur der Raumwärme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Thermische Behaglichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 Wärmebedarf und Energiehaushalt von Gebäuden . . . . . . . . . . . . 72 3.3.1 Grundbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.3.2 Spezifische Wärmeverluste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 3.3.2.1 Transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 3.3.2.2 Lüftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 3.3.3 Norm-Heizlast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 3.3.4 Jahres-Heizwärmebedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 Energieeinsparverordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 Heizungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 3.5.1 Systematische Einteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

3.4 3.5

VIII

Inhalt

3.5.2 3.5.3

3.6

Heizkessel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 Wärmepumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 3.5.3.1 Grundbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 3.5.3.2 Funktionsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 3.5.3.3 Energetische Effizienz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 3.5.3.4 Wärmequellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 3.5.3.5 Betriebsarten und Auslegung . . . . . . . . . . . . . . 107 Raumlufttechnische Systeme, Klimatisierung . . . . . . . . . . . . . . . 109 3.6.1 Systeme und ihre Anwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 3.6.2 Heiz- und Kühllast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 3.6.3 Zustandsänderungen der Luft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 3.6.4 Energieverbrauch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

4

Beleuchtung

4.1 4.2

4.3

Lichttechnische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 Lampen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 4.2.1 Glühlampen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 4.2.2 Gasentladungslampen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 4.2.2.1 Niederdruck-Entladungslampen . . . . . . . . . . . . 133 4.2.2.2 Hochdruck Entladungslampen . . . . . . . . . . . . . 138 Anforderungen an die Beleuchtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

5

Stationäre Antriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

5.1 5.2

Stationärer Kraftbedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 Fördern von Fluiden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 5.2.1 Aufgabenstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 5.2.2 Anwendungsbereiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 5.2.3 Arbeitsmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 5.2.4 Betriebsverhalten von Kreiselpumpen . . . . . . . . . . . . . . . 158 5.2.4.1 Hydraulische Förderleistung . . . . . . . . . . . . . . 158 5.2.4.2 Pumpenkennlinien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 5.2.4.3 Variation der Drehzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 5.2.4.4 Regulierung des Förderstroms . . . . . . . . . . . . . 166 Zusammenwirken von Arbeitsmaschine und Antriebssystem . . . 169 5.3.1 Allgemeine Zusammenhänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 5.3.2 Drehzahl und Drehmoment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 5.3.3 Belastung der Antriebsmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 Elektrische Antriebssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 5.4.1 Allgemeine Übersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 5.4.2 Drehstrom-Asynchronmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 5.4.2.1 Bauarten, Wirkungsweise, Spezifikationen . . . 180 5.4.2.2 Ersatzschaltbild, Stromortskurve . . . . . . . . . . . 185

5.3

5.4

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

Inhalt

IX

5.4.3 5.4.4 5.4.5 5.4.6

5.4.2.3 Drehzahl und Schlupf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 5.4.2.4 Leistungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 5.4.2.5 Drehmoment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 5.4.2.6 Anlaufen und Bremsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 5.4.2.7 Verhalten im stationären Betrieb . . . . . . . . . . . 197 5.4.2.8 Dimensionierung des Motors . . . . . . . . . . . . . . 199 5.4.2.9 Drehzahlstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 Drehstrom-Synchronmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 Frequenzumrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 Gleichstrommotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 Kleinmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 5.4.6.1 Universalmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 5.4.6.2 Kondensatormotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 5.4.6.3 Permanentmagnet-Synchronmotor . . . . . . . . . . 225 5.4.6.4 Spaltpolmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227

6

Energieanwendung im Verkehr (Transportwesen) . . . . . . . . 231

6.1

Verkehrsaufkommen und Energieverbrauch . . . . . . . . . . . . . . . . 231 6.1.1 Entwicklung der Verkehrsleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 6.1.2 Entwicklung des Endenergieverbrauchs . . . . . . . . . . . . . 233 Physik der Fortbewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 6.2.1 Fortbewegung zu Lande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 6.2.1.1 Straßenverkehr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 6.2.1.2 Schienenverkehr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 6.2.2 Fortbewegung zu Wasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 6.2.3 Fliegen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 6.2.4 Bewegungswiderstand, Antriebsleistung und Transportleistung verschiedener Verkehrsmittel . . . . . . . 241 Technik der Antriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 6.3.1 Straßenfahrzeuge mit Verbrennungsmotor . . . . . . . . . . . 243 6.3.1.1 Energieflüsse im Otto- und im Dieselmotor . . 243 6.3.1.2 Unkonventionelle Kraftstoffe . . . . . . . . . . . . . 247 6.3.2 Straßenfahrzeuge mit Elektromotor . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 6.3.2.1 Antriebsmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 6.3.2.2 Batteriespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 6.3.2.3 Energieverbrauch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 6.3.2.4 Hybridantriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 6.3.2.5 Brennstoffzellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 6.3.3 Schienentriebfahrzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 6.3.3.1 Diesel-Antrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 6.3.3.2 Elektroantrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269 6.3.3.3 Vergleich verschiedener Antriebe . . . . . . . . . . 270

6.2

6.3

X

6.4

Inhalt

6.3.3.4 Magnetschwebe-Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . 272 6.3.4 Flugzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 Vergleich verschiedener Verkehrssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . 277 6.4.1 Energieverbrauch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277 6.4.2 Schadstoff-Emissionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280 6.4.3 Lärm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286 6.4.4 Sonstige Faktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287

7

Gewinnen und Verarbeiten von Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291

7.1

Datenerfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 7.1.1 Messkonzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 7.1.1.1 Messgröße . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 7.1.1.2 Messprinzip und Messmethode . . . . . . . . . . . . 293 7.1.1.3 Messort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 7.1.1.4 Planungsgrundsätze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 7.1.2 Messeinrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296 7.1.2.1 Messgrößenerfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296 7.1.2.2 Signal- und Messwertverarbeitung . . . . . . . . . 297 7.1.2.3 Messdaten-Ausgabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298 7.1.3 Genauigkeit von Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299 7.1.3.1 Arten von Messabweichungen . . . . . . . . . . . . . 299 7.1.3.2 Fehlergrenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301 7.1.3.3. Messunsicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 Datengliederung, -verarbeitung und -auswertung . . . . . . . . . . . . 302 7.2.1 Dokumentation von Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303 7.2.2 Bildung von Verhältniszahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303 7.2.3 Bildung von Mittelwerten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305 7.2.4 Häufigkeitsverteilung und Standardabweichung . . . . . . . 308 7.2.5 Zusammenhänge zwischen Stichprobe und Grundgesamtheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 7.2.6 Der t-Test (Student-Test) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314 7.2.7 Regressionsrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318 Anwendung für die energietechnische und -wirtschaftliche Praxis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321 7.3.1 Statistische Erhebungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322 7.3.2 Grafische Darstellungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323 7.3.2.1 Punktdiagramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323 7.3.2.2 Liniendiagramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324 7.3.2.3 Flächendiagramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324 7.3.2.4 Säulen- und Balkendiagramme . . . . . . . . . . . . 324 7.3.2.5 Kreis- und Ringdiagramme . . . . . . . . . . . . . . . 324 7.3.2.6 Flussbilder (Sankey-Diagramme) . . . . . . . . . . 325

7.2

7.3

Inhalt

XI

7.3.3

7.3.2.7 Maßstabswahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325 Energieverbrauchsgleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326

Anhang: Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Stationäre Betriebskennlinien (zu Kap. 2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 1.1 Erdgasbeheizter Schmiedeofen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 1.2 Vergleich von zwei Spänetrocknern . . . . . . . . . . . . . . . . 337 Instationäre Betriebskennlinien (zu Kap. 2) . . . . . . . . . . . . . . . . 340 Heizwärmebedarf von Gebäuden (zu Kap. 3) . . . . . . . . . . . . . . . 345 Luft-Wasser-Wärmepumpe (zu Kap. 3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354 Klimaanlage (zu Kap. 3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360 Berechnung einer Beleuchtungsanlage (zu Kap. 4) . . . . . . . . . . . 366 Betriebsverhalten einer Pumpe (zu Kap. 5) . . . . . . . . . . . . . . . . . 369 Analyse eines Drehstrom-Asynchronmotors (zu Kap. 5) . . . . . . 376 Energetisches Betriebsverhalten eines PKW (zu Kap. 6) . . . . . . 388 Analyse einer Zeitreihe (zu Kap. 7) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396 Mittelwertbildung von Beziehungsgrößen (zu Kap. 7) . . . . . . . . 401 Analyse einer Stichprobe (zu Kap. 7) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402 12.1 Häufigkeitsverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403 12.2 Zugehörigkeit von Stichprobe und Grundgesamtheit . . . 405 12.3 Vergleich zweier Teilstichproben . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405 12.4 Vertrauensbereiche für den Mittelwert zugehöriger Grundgesamtheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406 12.5 Erwartungsbereich der Einzelwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . 407

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409 Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413

1

Einführung und Grundbegriffe

1.1

Energietechnik in der Menschheitsgeschichte

Die Energietechnik ist eine unverzichtbare Grundlage, die Abhängigkeit menschlichen Handelns und Wirkens von den Umweltbedingungen zu lockern und als human empfundene Lebensbedingungen zu schaffen. Die Verfolgung dieses Zieles führte schon immer und führt auch weiterhin zu Eingriffen in die Ökologie. Damit beeinflussen die Auswirkungen dieser Eingriffe wiederum die Lebensgestaltung des Menschen (Schaefer et al. 1995). Das heute oft zitierte ökologische Gleichgewicht der Erde hat im statischen Sinn nie bestanden. Der ständige Wandel von Flora und Fauna schon vor dem Beginn der Menschheitsgeschichte legt davon ebenso beredtes Zeugnis ab, wie auch der mehrfache Klimawechsel in der Geschichte unseres Planeten. Seit der Mensch auf der Erde existiert, hat er aus dem natürlichen Streben nach Arterhaltung mit seinem Handeln in die Umwelt eingegriffen und damit z.B. einen großen Teil der natürlichen Landschaft in eine Kulturlandschaft verwandelt. Diese menschlichen Eingriffe werden zwangsläufig um so gravierender, je größer die Besiedlungsdichte und der Lebensstandard S gekennzeichnet z.B. durch technische Ausstattung, Flächenanspruch, Mobilität u.a.m. S wird. Sie können vielfach zu Auswirkungen führen, die sich langfristig auch für das menschliche Leben als ungünstig erweisen. Schon unsere Vorfahren haben in dieser Hinsicht „Beachtliches“ geleistet; aber wer denkt schon daran, dass z.B. die verkarstete adriatische Küste früher bewaldet war, wer denkt schon daran, dass Karthago, die Kornkammer Roms, durch Menschenhand zur Wüste wurde. Ähnliches gilt für das Schicksal der kleinasiatischen Städte Milet, Priene und Ephesus sowie den Kahlschlag der Wälder in England oder in Spanien, wo vor allem wegen des Bedarfes an Heizmaterial die Umwelt entscheidend verändert wurde. Wenn heute die Fragen des Umweltschutzes in aller Munde sind, ist das vor allem aus berechtigter Sorge über die ökologischen globalen Veränderungen durch vegetations- und klimarelevante Emissionen, den Ressourcenverzehr sowie die Veränderungen im Bereich der Verdichtungsräume zu verstehen, wo nachteilige Wirkungen der optischen, akustischen und stofflichen Belastung schon frühzeitig sicht- und spürbar wurden. Will man die Situation zutreffend analysieren, dann hat man sich vor allem mit den Regionen hohen Energieumsatzes zu befassen. Hier werden geeignete und sinn-

2

1 Einführung und Grundbegriffe

volle Maßnahmen vordringlich notwendig, um die Umweltbedingungen für den Menschen lebenswert zu erhalten. Voraussetzung derartiger Maßnahmen ist, die durch den Menschen verursachten Veränderungen in all ihren Auswirkungen und gegenseitigen Verknüpfungen eingehend zu erforschen und dabei immer zu bedenken, dass vor allem die atmosphärischen Belastungen sich global ausbreiten. Der Erhalt und der Fortbestand der zivilisierten Menschheit hängt von den vier Faktoren Nahrung, Rohstoffe, Energie und technisches Wissen ab. Nahrung ist ein unabdingbarer Faktor, Rohstoffe sind eine Notwendigkeit, beides kann aber nur mit Energie und technischem Wissen heute und in der Zukunft in ausreichendem Maß zur Verfügung gestellt werden. Die heutige und zukünftige menschliche Gesellschaft steht und fällt mit einer leistungsfähigen und gesicherten Energieversorgung. Für die industrielle Güterproduktion ist die Energietechnik unentbehrlich, denn fast alle Stofferzeugungs- und Umwandlungsverfahren sind ohne Energiezufuhr nicht realisierbar. Dasselbe gilt auf den Gebieten des Verkehrs und der Kommunikation. Selbst die Produktion pflanzlicher und tierischer Nahrungsmittel im heutigen Umfang ist nur durch den steigenden Einsatz energietechnischer Anlagen möglich. Keine realisierte und auch keine denkbare Art der Energietechnik ist umweltfreundlich, sondern nur in Art und Umfang der Umweltbelastung unterschiedlich. So erstrebenswert manchem auch eine „Rückkehr zur Natur“ erscheinen mag, so kann sie die Energietechnik nicht ersetzen. Je mehr der Mensch versucht und auch gezwungen ist, die Gestaltung seines Lebens von den Gegebenheiten der Umwelt unabhängig zu machen, um so mehr ist er in allen Lebensbereichen von einer zukunftssicheren, preisgünstigen und umweltschonenden Energieversorgung abhängig. Dabei tritt die Bedeutung der Energiekosten zurück gegenüber der faktischen Unentbehrlichkeit der Energie. Es ist sicher, dass, sofern man eine weitere Entwicklung der Menschheit im Hinblick auf eine ständige Verbesserung der ökonomischen und sozialen Situation zumindest für den Großteil der Weltbevölkerung in der dritten Welt unterstellt, die Anforderungen an die von der Energieversorgung bereitzustellenden Mengen, Leistungen und Qualitäten steigen werden und steigen müssen. Der erste und wichtigste Schritt, um die Auswirkungen des Energieverbrauchs auf Mensch und Umwelt zu reduzieren, ist die rationelle Energienutzung. Dass in dieser Richtung bereits beachtliche Erfolge erzielt wurden, lässt sich mit einigen Beispielen belegen: Binnen 100 Jahren konnten die Wirkungsgrade von thermischen Antriebsmaschinen etwa verdreifacht werden; die Beleuchtungstechnik entwickelte Lampen, die heute das 100-fache der Lichtausbeute erreichen

1.1 Energietechnik in der Menschheitsgeschichte

3

und der spezifische Stromverbrauch bei der Schmelzflusselektrolyse von Aluminium sank auf fast ein Drittel. Derartige Beispiele lassen sich auch für kürzer zurückliegende Zeitbereiche in nahezu allen Teilgebieten der Energienutzung finden. Innerhalb der letzten 30 Jahre verminderte sich in der Bundesrepublik Deutschland bei der Stahlerzeugung der Energieverbrauch pro kg Rohstahl um rd. 25%, bei der Stromerzeugung konnte der Energieaufwand pro kWh um rd. 60% gesenkt werden, und die Umwandlungsverluste bei den Raffinerieprozessen gingen um rd. ein Drittel zurück. Geht man bis ins Mittelalter zurück, so war der Primärenergieverbrauch pro Tonne Roheisen etwa 20 mal höher als heute.

1.2

Terminologie der Energieanwendung

Jeder Bedarf an Energie hat seine Ursache in bestimmten Zielen, Wünschen und Bedürfnissen eines Nutzers: • Raumkonditionierung ist das Schaffen von Bedingungen in Aufenthaltsräumen, die hinsichtlich der thermischen Behaglichkeitskriterien (Temperaturen von Luft und Raumumschließungsflächen, Luftfeuchte, Luftströmungsverhältnisse) als angenehm empfunden werden. Die „Raumheizung“ beschränkt sich dabei auf die Wärmezufuhr in den betreffenden Raum, während die „Klimatisierung“ die Herstellung und Einhaltung bestimmter Luftzustände zum Gegenstand hat. • Brauchwarmwasserbereitung ist das Bereitstellen von Warmwasser, wie es nach Menge, Temperatur, Zeit und Ort gewünscht ist. Gegebenenfalls müssen darüber hinaus auch noch Qualitätsanforderungen an das Wasser durch geeignete Aufbereitung erfüllt werden. Eine Abgrenzung zu den technologischen Prozessen der Wassererwärmung ist nicht eindeutig zu ziehen. • Technologische Prozesse führen eine gewünschte Veränderung eines Stoffes oder eines Werkstücks herbei bzw. halten einen bestimmten Zustand aufrecht, verbunden mit der Zufuhr (oder auch der Abführung) von Prozessenergie, die auch die Nutzenergie darstellt. Entsprechend der Art der wirksamen Nutzenergie lassen sich unterscheiden: S Wärmeprozesse, Kälteprozesse (thermische Prozesse), S Arbeitsprozesse (mechanische Prozesse) und S Elektrotechnologische Prozesse der Galvanik und Elektrolyse. Der Betrag an Energie, der bei einem technologischen Prozess die gewünschte Veränderung des Stoffes oder Werkstückes unmittelbar bewirkt,

4

1 Einführung und Grundbegriffe

wird auch als Aktivenergie bezeichnet. • Transport ist das Befördern von Personen oder Gütern von einem Ort zu einem anderen, unter Maßgabe vielfach variierbarer Randbedingungen wie Transportgeschwindigkeit, Transportflexibilität, Sicherheit und vieles mehr. • Beleuchtung ist das Schaffen günstiger Sehbedingungen durch Erhöhen von Beleuchtungsstärken dort, wo sie nur aufgrund des natürlichen Lichts nicht ausreichen, um das physische und psychische Wohlbefinden des Menschen sowie seine Leistungsfähigkeit zu fördern und Unfälle verhüten zu helfen. • Information und Kommunikation ist das Abfassen, Gestalten, Übermitteln und Empfangen von immateriellen Botschaften. Die Befriedigung solcher Bedürfnisse kann Energiedienstleistung genannt werden, da hierfür der Einsatz von Energie notwendig ist. Die wichtigsten Zusammenhänge (Rudolph u. Wagner 1997) sind in Abb. 1.1 dargestellt.

E n d e n e rg ie

S o n s tig e ve rfü g b a re E n e rg ie

Betrieb

Nutzen

N u tz e r Bedürfnisse Parameter

B e tre ib e r

2 6 1 2 4 -B -0 7 2 6 1 2 4 -B -0 7

N u tz e n e rg ie

E n e rg ie w a n d le r Verluste

Bezug

V e rb ra u c h e r

E n e rg ie d ie n s tle istu n g

E n e rg ie a n w en d u n g

Abb. 1.1. Begriffe der Energieanwendung

Diejenige Form von Energie, die unmittelbar die Energiedienstleistung bewirkt, heißt Nutzenergie. Üblicherweise werden folgende Nutzenergieformen unterschieden: • Arbeit (oft auch als „Kraft“ oder „Mechanische Energie“ bezeichnet), • Wärme (hierzu wird üblicherweise auch elektromagnetische Wärmestrahlung gezählt); auch „Kälte“ gehört hierher, da sie ein umgekehrt gerichteter Wärmestrom ist, • Licht,

1.2 Terminologie der Energieanwendung

5

• Nutzelektrizität, • Schall. Diejenige Menge an Nutzenergie, die für eine bestimmte Energiedienstleistung unter gegebenen Parametern und Randbedingungen unmittelbar erforderlich ist, wird als Nutzenergiebedarf 1 bezeichnet. Die Nutzenergie wird oft im Zuge der Energiedienstleistung dissipiert, d.h. thermodynamisch abgewertet. Jedoch kann nichts davon verschwinden, da nach dem Energieerhaltungssatz die Gesamtsumme an Energie gleich bleibt. So wird z.B. die Antriebsarbeit eines Fahrzeugs vollständig in thermische Energie verwandelt. Andere Beispiele für den Verbleib der Nutzenergie sind die Wärmeabgabe über die Außenoberfläche eines beheizten Gebäudes oder eines abkühlenden Werkstücks nach erfolgter Wärmebehandlung, oder der Zuwachs chemisch gebundener Energie bei der Erzeugung von Roheisen. Da die Nutzenergie in der benötigten Form normalerweise nicht direkt verfügbar ist, muss sie mit Hilfe eines Energiewandlers2 durch einen Betreiber zum Zeitpunkt und am Ort des Bedarfs hergestellt werden. Die Zuordnung von Energiewandlern zu den entsprechenden Nutzenergieformen und Energiedienstleistungen geht anhand von Beispielen aus Tabelle 1.1 hervor. Um die benötigte Nutzenergie herzustellen, muss im Energiewandler eine ausreichende Menge geeigneter Energie eingesetzt werden, die bei dieser Umwandlung verbraucht wird. Wird diese Energie von einem Verbraucher aus den energiewirtschaftlichen Versorgungssystemen bezogen, spricht man von Endenergie (z.B. Heizöl, Erdgas, Kraftstoff, elektrische Energie usw.). Hinzu kann die Ausnutzung anderer verfügbarer Energien kommen, wie z.B. Solarstrahlung zur Warmwasserbereitung oder Umgebungswärme für eine Wärmepumpe. Die angesprochenen drei Elemente, nämlich • der gezielte Einsatz von Endenergie (zuzüglich sonstiger verfügbarer Energie), • deren Umwandlung in Nutzenergie mittels des Energiewandlers • zum Zweck der Energiedienstleistung ergeben zusammen den Begriff der Energieanwendung.

1

bei technologischen Prozessen auch als Aktivenergiebedarf

2

Das kann auch ein komplexes technisches System sein

Lampe Monitor

Information und Kommunikation

Lokomotive Pumpe

Transport Stoffförderung

kurzwell. Strahler

Licht

Beleuchtung

Drehmaschine Schmelzofen Kühlaggregat

Technologische Prozesse

Durchlauferhitzer

Brauchwarmwasserbereitung

Wärme Heizkessel; Heizkörper

Arbeit

Prozessorbaustein

Galvanikbad

Nutzelektrizität

Nutzenergieform

Lautsprecher

Ultraschallwandler

Schall

Tabelle 1.1.

Raumkonditionierung

Art der Energiedienstleistung

6 1 Einführung und Grundbegriffe

Energiewandler zur Erfüllung von Energiedienstleistungen (Beispiele)

1.2 Terminologie der Energieanwendung

7

An einem Vorgang der Energieanwendung hat der Mensch in drei unterschiedlichen Funktionen Anteil: • Als Nutzer ist er Ursache des Bedarfs und Auslöser des Vorgangs der Bedarfsdeckung sowie deren Nutznießer, • als Betreiber ist er Bediener von Geräten und evtl. darüber hinaus Gestalter der technischen Prozesse, • als Verbraucher ist er Käufer von Energien. Diese Funktionen müssen nicht notwendigerweise in einer Person vereint sein.

1.3

Energieverbrauch in der Volkswirtschaft

Mit jedem Energieanwendungsfall geht eine Nachfrage nach Endenergie durch Verbraucher einher. Damit diese Nachfrage gedeckt werden kann, muss die Endenergie • aus Primärenergie, d.h. aus in der Natur vorkommenden (erschöpflichen oder regenerativen) Ressourcen erzeugt werden, und • unter Zuhilfenahme von Systemen der Speicherung, des Transportes und der Verteilung an den Verbraucher geliefert werden. Dies sind die Aufgaben der Energieversorgung. Dieser Bereich ist von der Energieanwendung wohl zu unterscheiden. Die Energiewirtschaft ist jener Teil einer Volkswirtschaft, der sich der Energieversorgung, also dem Einsatz der technischen, wirtschaftlichen, organisatorischen und rechtlichen Mittel zur Deckung des auf den verschiedenen Teilmärkten auftretenden Energiebedarfs, widmet. Die Teilmärkte können durch die Art des gehandelten Energieträgers ! also die Endenergien ! gekennzeichnet sein. Entsprechend diesen „Versorgungssparten“ werden als Energiewirtschaftszweige unterschieden: Steinund Braunkohle-, Mineralöl-, Gas-, Elektrizitäts- und Fernwärmewirtschaft. Weitere Unterscheidungsmöglichkeiten sind durch die Art der Energiedienstleistung (z.B. „Raumwärmemarkt“) gegeben oder durch die Klassifizierung der Endenergieverbraucher in die Verbrauchssektoren. • • • •

Industrie Verkehr Haushalte Kleinverbraucher.

8

1 Einführung und Grundbegriffe

Der Verbrauchssektor Industrie umfasst den Bergbau und die Gewinnung von Steinen und Erden sowie das Verarbeitende Gewerbe, soweit die einzelnen Wirtschaftszweige nicht Teil des Energiesektors sind. Entsprechend den internationalen Gepflogenheiten ist auch das „Produzierende Handwerk“ einbezogen. Ab einer Beschäftigtenzahl von 20 zählt ein produzierendes Unternehmen zur Industrie. Die Strukturierung basierte bis zum Bilanzjahr 1994 auf der vom Statistischen Bundesamt festgelegten „Systematik der Wirtschaftszweige im Produzierenden Gewerbe“ (SYPRO). Das Verarbeitende Gewerbe war dort in vier Hauptgruppen gegliedert: Grundstoff- und Produktionsgütergewerbe, Investitionsgüter produzierendes Gewerbe, Verbrauchsgüter produzierendes Gewerbe, Nahrungs- und Genussmittelgewerbe. Inzwischen wurde im Zuge der Harmonisierung der Wirtschaftszweigklassifikationen zwischen der Bundesrepublik Deutschland und der Europäischen Union die deutsche Systematik der Wirtschaftszweige an die europäische angepasst. Als Folge davon richtet sich die Strukturierung vom Bilanzjahr 1995 an nach der vom Statistischen Bundesamt festgelegten „Klassifikation der Wirtschaftszweige“, Ausgabe 1993 (WZ 93). Durch Veränderungen bei der Zuordnung statistischer Einheiten sind die Angaben für die Abschnitte und Unterabschnitte nach WZ 93 mit denen für die Industriehauptgruppen und -zweige der bisherigen Systematik nach SYPRO nicht mehr vergleichbar. Der Sektor Verkehr umfasst die Gesamtheit aller Transportleistungen mit mobilem Energiewandler (also z.B. unter Ausschluss von Seilbahnen), deren Endenergieverbrauch dem Inland zuzuordnen ist. Gegliedert ist er in die Teilsektoren Schienenverkehr, Straßenverkehr, Luftverkehr sowie Küsten- und Binnenschiffahrt. Maßgebend für die inländische Verbrauchszuordnung ist nicht der Ort der Transportleistung, sondern der Ort der Endenergieaufnahme durch das jeweilige Transportmittel. Der Sektor Haushalte umfasst sämtliche Privathaushalte. Aus erfassungstechnischen Gründen waren in den Energiebilanzen früher „Haushalte“ und „Kleinverbraucher“ zu einem Sektor zusammengefasst. Die ab 1995 vorgenommene generelle Trennung in die beiden neuen Sektoren „Haushalte“ und „Gewerbe, Handel, Dienstleistungen“ (GHD) ist nur mit Hilfe zahlreicher Abschätzungen und Rückrechnungen - z.T. unter Verwendung von Marktforschungsergebnissen - möglich. Der seither bestehende Verbrauchssektor „Gewerbe, Handel, Dienstleistungen“ (GHD) geht aus dem vormaligen Teilsektor „Kleinverbraucher“ unter Einbezug der „Militärischen Dienststellen“ hervor. Außer dem letztgenannten Bereich sind folgende Gruppen enthalten: Anstaltshaushalte,

1.3 Energieverbrauch in der Volkswirtschaft

9

öffentliche Einrichtungen, Wasserwerke, produzierende Gewerbe- und Handwerksbetriebe mit weniger als 20 Beschäftigten, Wäschereien, Chemischreinigungen, Bauhauptgewerbe, Handelsunternehmen, Geschäftsgebäude und Räume gewerblicher Art und Landwirtschaft. In Abb. 1.2 ist die zeitliche Entwicklung des Endenergieverbrauchs in der BRD dargestellt. Neben einem generellen Anstieg hat sich der Verbrauch erheblich umstrukturiert, insbesondere zu Lasten der festen Brennstoffe. Heizöl verzeichnete bis Mitte der 70er Jahre einen rasanten Zuwachs, büßt aber seit den 80er Jahren wieder an Bedeutung ein. Ungebrochen ist dagegen der Verbrauchsanstieg von Gas, Strom und Kraftstoffen. Zugleich hat sich der Anteil der Verbrauchssektoren erheblich geändert. Während bis 1960 die Industrie fast die Hälfte der gesamten Endenergie verbrauchte, geht ihr Anteil seither kontinuierlich zurück; mittlerweile liegt er bei weniger als einem Drittel. Die Sektoren Haushalt und Kleinverbrauch haben ihre Anteile am Endenergieverbrauch in den letzten dreißig Jahren nur sehr wenig verändert. Der Sektor Verkehr dagegen verzeichnete einen stetigen Zuwachs und hat bereits im Jahre 1993 die Industrie mengenmäßig überholt.

Abb. 1.2.

Entwicklung des Endenergieverbrauchs in der BRD (alte Bundesländer)

Aus Abb. 1.3 ist ersichtlich, wo die Verbrauchsschwerpunkte insgesamt bzw. innerhalb der einzelnen Verbrauchssektoren in Deutschland liegen. Vom gesamten Endenergieverbrauch in Deutschland entfällt knapp ein Drittel auf die „Raumheizwärme“, gut ein Viertel auf die „Prozesswärme“, fast 40 % auf den Bedarf für „mechanische Energie“, rd. 2 % auf die „Beleuchtung“ und rd. 1,4 % auf „Information und Kommunikation“, worin auch der Aufwand bei leittechnischen Anlagen eingeschlossen ist.

10

1 Einführung und Grundbegriffe

Industrie

Verkehr

Beleuchtung

Prozeßwärme

Haushalte

Gewerbe, Handel, Dienstleistung (GHD)

Mechanische Energie

Raumheizwärme

Mechanische Energie 39,2

Raumheizwärme 30,9 3000 PJ

2,4

2500

21,3

28,4

2644 2459

2632

1,6%

1,7%

0,4% Beleuchtung

16,5%

2000

Endenergie 9181 PJ = 100

3,1 1,6

17,4 4,8

2,1% 6,7%

0,1

98,8%

19,7%

1000 4,1

22,8%

1500

7,1

6,1

Beleuchtung 2,1

Information & Kommunikation

65,3%

74,1% 25,8%

Information & Kommunikation 0 1,5 Prozeßwärme 26,3

Information & Kommunikation 0,3% Raumheizwärme 0,5%

2,6%

500

1,4%

45,2%

8,8%

Industrie Haushalt 26,8%

28,8%

GHD

Verkehr

15,7%

28,7%

Alle Angaben in %

Quelle: AG Energiebilanzen, VDEW-Projektgruppe Nutzenergiebilanzen, IfE/TU München

Copyright

2007, IfE/TU München, 00-820-B-06

Aufteilung des Endenergieverbrauchs auf Verbrauchersektoren und Bedarfsarten in Deutschland 2005

00820B 06

Abb. 1.3. Struktur des Endenergieverbrauchs in Deutschland 2005

Bei der Raumheizung dominieren die Haushalte, bei der Prozesswärme die Industrie und bei der mechanischen Energie der Verkehr. Der letztgenannte Anteil stellt mit mehr als einem Viertel den größten Einzelposten dieser Anwendungsbilanz dar. Wie die Säulendiagramme im rechten Bildteil zeigen, dominiert bei der Industrie der Bedarf für Prozesswärme, bei den Haushalten und im GHDSektor der Bedarf für die Raumheizung und beim Verkehr die mechanische Energie. Den verbrauchsintensivsten Einzelsektor bilden die privaten Haushalte, gefolgt von Verkehr und Industrie. Der Pro-Kopf-Verbrauch an Energie hängt sehr stark vom Wohlstandsniveau einer Volkswirtschaft ab. Abb. 1.4 (Daten nach IEA 2006) zeigt hierzu den Verbrauch an Endenergie über dem Bruttoinlandsprodukt (umgerechnet nach Kaufkraftparität) für eine Reihe von Ländern, jeweils bezogen auf die Bevölkerungszahl. Die „Energieintensität“, also der Energieverbrauch bezogen auf das Bruttoinlandsprodukt, liegt in wohlhabenden Ländern im Schnitt eher etwas niedriger. Ermöglicht wird dies durch die im Vergleich zu den ärmeren Ländern höher entwickelten Systeme der Energieversorgung sowie durch die besseren Voraussetzungen für eine rationelle Energieverwendung.

1.3 Energieverbrauch in der Volkswirtschaft

11

In allen Wohlstandsbereichen gibt es eine Spannweite der Energieintensität von etwa einer Zehnerpotenz. Die hauptsächlichen Einflussfaktoren hierfür sind • die klimatischen Verhältnisse (Heiz- und Kühlbedarf) • Ausmaß und Struktur der Industrialisierung • die Größe des Landes und seine Besiedelungsdichte (Personen- und Güterverkehr) 100000

Einwohnerzahl [Mio] 1

10

100

26528A07 26528A07

Kontinent

1 ,0

Energieintensität [kg OE/US$]

1000

0, 5

Endenergieverbrauch je Einw. in kg OE

Afrika Amerika ARAB EM

Australien

TRIN

Europa

1000

RUS LIBY

UZBE

SER CHIN

NIG ECU TAN ETH YEM

100 100

IND

KEN SUD

0 ,2

QAT

Asien

10000

GHA

EGY

KOR CZE

POL BUL ROM SAF MEX BRAZ

ICE

FIN SWE GER

CAN USA NOR AUS

LUX

0 ,1 0,0

5

SWI ITA FRA UK JAP HOKO

SPA

MALT

TUN COL

MOR

SEN

ERIT

BANG 1000

10000

100000

BIP je Einw. in US$

Abb. 1.4. Energieverbrauch und Bruttoinlandsprodukt ausgewählter Länder (umgerechnet nach Kaufkraftparität)

1.4

Rationelle Energieverwendung

Aus der Sicht des Energieverbrauchers basiert eine rationelle Energieverwendung grundsätzlich auf einer Abwägung von Aufwand und Nutzen beim Verbrauchen von Energie. Hinsichtlich Bewusstseinsgrad und Detailtiefe kann diese Abwägung im Einzelfall sehr unterschiedlich ausfallen. Beim Aufwand richtet sich die Betrachtung häufig auf die verbrauchte Endenergie, selten auf die Nutzenergie (z.B. bei Fensterlüftung). Werden hingegen Kosten betrachtet, so können über den Energieverbrauch hinaus auch andere Formen des Aufwandes, z.B. für die Anschaffung effizienterer Energiewandler, berücksichtigt werden.

12

1 Einführung und Grundbegriffe

Beim Nutzen steht die Erfüllung der betreffenden Energiedienstleistung im Mittelpunkt der Betrachtung. Kennzeichnende Bezugsgrößen für Energiedienstleistungen sind z.B. die zurückgelegte Wegstrecke oder auch die „Personenkilometer“ bei Verkehrsmitteln, Massen oder Stückzahlen der in einer Fertigungsanlage produzierten Güter, oder die von einer Heizungsanlage pro Jahr beheizte Wohnfläche. Falls eine einzige Kenngröße zur hinreichenden Quantifizierung nicht ausreicht, müssen eine oder mehrere Randbedingungen mit einbezogen werden. Die meist verwendete Kenngröße zur Charakterisierung des Verhältnisses von Aufwand zu Nutzen ist der spezifische Energieverbrauch, also die für einen bestimmten Energieanwendungsfall verbrauchte Menge an Endenergie, bezogen auf eine Größe, welche die bewirkte Energiedienstleistung kennzeichnet. Die Bezeichnung „spezifischer Energiebedarf“ wird z.T. synonym verwendet. Wird die Energiedienstleistung durch die verwendete Bezugsgröße nur unvollständig charakterisiert, so ist der spezifische Energieverbrauchswert nur aussagekräftig in Verbindung mit zusätzlichen Angaben, welche die für die Energiedienstleistung geltenden Randbedingungen näher beschreiben. Vielfach sind Angaben zum spezifischen Energiebedarf auch insofern unvollständig, als sie nicht den gesamten Endenergieverbrauch für die betreffende Energiedienstleistung berücksichtigen, sondern nur den dominanten Verbrauchsposten. So wird z.B. bei Heizungssystemen oft nur der Brennstoffverbrauch berücksichtigt, zusätzliche Energieverbrauchsbestandteile wie der Stromverbrauch für periphere aber gleichwohl notwendige Anlagen- oder Systemkomponenten wie z.B. Umwälzpumpen aber vernachlässigt. Gelegentlich wird der Kehrwert des spezifischen Energieverbrauchs als Energieproduktivität bezeichnet. Sowohl für die Interpretation der Kenngröße „spezifischer Energieverbrauch“, als auch für die Schlussfolgerungen, die daraus gezogen werden, spielen Kenntnis- und Informationsstand sowie persönliche Meinungen, Gewohnheiten und Wertvorstellungen eine wichtige Rolle. Das Streben nach rationeller Energieverwendung kann sich nicht auf die bloße Minimierung des Quotienten Aufwand:Nutzen beschränken. Wem es primär um das Einsparen von Energie geht, wird um eines Minderverbrauchs von Energie willen u.U. auch eine Erhöhung des Quotienten Aufwand zu Nutzen in Kauf nehmen (z.B. bedingt durch hohe Anschaffungskosten oder überproportionale Abstriche bei der Energiedienstleistung). Andererseits kann rationelle Energieverwendung auch einen Mehrverbrauch an Energie bedeuten, wenn dadurch andere Ressourcen in wertmäßig größerem Ausmaß

1.4 Rationelle Energieverwendung

13

eingespart werden. Ein Beispiel hierfür ist der Energieaufwand für die Rauchgasreinigung zur Reduktion der Emission von Luftschadstoffen. Unter den Begriff „Energiesparen“ fallen alle Maßnahmen, die zu einer Verringerung des Endenergieverbrauchs für einen bestimmten Fall der Energieanwendung führen (oder auch das Ergebnis solcher Maßnahmen). In analoger Weise kann der Begriff darüber hinaus auch auf Prozesse im Umwandlungsbereich angewendet werden. Solche Maßnahmen, die direkt auf das Ziel der Einsparung von Energie gerichtet sind, lassen sich mit Blick auf die Zusammenhänge in Abb. 1.1 in folgender Weise systematisch einteilen: • • • • • •

Reduzieren der Energiedienstleistung Reduzieren des spezifischen Nutzenergiebedarfs Vermeiden unnötigen Verbrauchs Erhöhung der Wirkungs- bzw. Nutzungsgrade von Energiewandlern Energierückgewinnung Nutzung von Umweltwärme bzw. regenerativen Energiequellen

In Tabelle 1.2 sind hierfür Beispiele aus den verschiedenen Anwendungsbereichen zusammengestellt. Ein Reduzieren der Energiedienstleistung ist grundsätzlich mit einem Verzicht oder einer Einschränkung verbunden. Das kann den quantitativen Umfang der Energiedienstleistung betreffen, oder aber Randbedingungen, die mehr qualitativer Natur sind. Ein Reduzieren des Nutzenergiebedarfs bei ungeschmälerter Energiedienstleistung beruht auf einer geschickten Ausnutzung energietechnischer Gesetzmäßigkeiten. Solche Maßnahmen haben allerdings oft auch Einfluss auf die Randbedingungen der betreffenden Energiedienstleistung. Insofern ist eine Abgrenzung zur ersten Maßnahmengruppe manchmal schwierig. Ein Vermeiden unnötigen Verbrauchs ist in zweierlei Hinsicht möglich: • Abschalten von leer laufenden Energiewandlern, d.h. in Zeiten, in denen sie keine Nutzenergie abgeben müssen • Vermeiden der Erzeugung überschüssiger, d.h. den jeweiligen Bedarf übersteigender Nutzenergie. Die effektiv erzielte Energieersparnis ist in solchen Fällen oft geringer als der durch das Abschalten vermiedene Verbrauch, da namentlich bei wärmetechnischen Anlagen das Wiederanheizen mit einem gewissen Mehrverbrauch verbunden ist. Eine Erhöhung des Wirkungs- bzw. Nutzungsgrades von Energiewandlern liegt dann vor, wenn bei gleicher abgegebener Nutzenergie eine Verringerung des Energieeinsatzes erreicht wird.

Wärmedämmung; saubere Heizflächen; wenig Luftüberschuss niedere Vorlauftemp.; am Brenner Brennwertkessel

Luftvorwärmung; Abwärmenutzung; Wärmekaskaden

Wärmepumpe; solarthermische Warmwasserbereitung

Erhöhung der Wirkungs- bzw. Nutzungsgrade

Energierückgewinnung

Nutzung von Umweltwärme bzw. regenerativen Energiequellen

Richtige Auswahl und Dimensionierung des Motors

kein Leerlauf von Maschinen

Drehen statt Schleifen

Stationäre Antriebe

Passive Solarenergienutzung

Nutzung von Wind oder Wasserkraft

Wärmerückgewinnung Nutzbremsung; aus Abluft Rückspeisung bei Hebezeugen

Nachtabsenkung; richtig lüften; Thermostatventile

nicht durchheizen; keine überhöhten Prozesstemperaturen

Vermeiden unnötigen Verbrauchs

Absenken der Raumtemperatur Wärmedämmung von Gebäuden

mechanisch statt therm. Trocknen

Raumheizung

Wände mit hohem Reflexionsgrad

Verringerung der Beleuchtungsstärke; Tageslichtnutzung

Beleuchtung

Abluftleuchten

Leuchtstofflampen statt Glühlampen

Versorgung von Systemen durch Solarzellen

vorausschauend fahren; Nutzbremsung beim Elektrofahrzeug

niedertourig fahren; Diesel- statt Ottomotor; Kennfeldregelung

Vermeiden von Staus; keine Beleuchtung Motor aus bei Stillstand; unbenutzter Räume; Zylinderabschaltung Dimmen nach Bedarf

Autos mit geringerem Gewicht und cW-Wert

Fahrrad statt Auto; Fahrgemeinschaften; langsamer fahren

Transport

Tabelle 1.2.

Reduzieren des spezif. Nutzenergiebedarfs

Reduzieren der Energiedienstleistung

Prozesswärme

14 1 Einführung und Grundbegriffe

Beispiele zum Energiesparen

1.4 Rationelle Energieverwendung

15

Eine Erhöhung des Wirkungs- bzw. Nutzungsgrades von Energiewandlern liegt dann vor, wenn bei gleicher abgegebener Nutzenergie eine Verringerung des Energieeinsatzes erreicht wird. Energierückgewinnung bedeutet das Ausnutzen von Energie, die sonst als Verlust anzusehen wäre, für die Bedarfsdeckung. Finden innerhalb eines Energiewandlers interne Energiekreisläufe statt, so kommt das einer Erhöhung des Wirkungsgrades gleich. Wird ein Bedarfsdeckungsvorgang ganz oder teilweise aus Umweltwärme oder regenerativen Energiequellen gespeist, so wird dadurch der Einsatz von Endenergie substituiert. Allerdings sind solche Konzepte meist mit einem Zusatzverbrauch verbunden, wodurch sich die effektiv erzielte Energieersparnis verringert. Neben dem Energiesparen gibt es auch Maßnahmen, die primär einem anderen Zweck dienen, die aber direkt oder indirekt ebenfalls eine rationellere Energienutzung zur Folge haben. Hierzu zählt eine Substitution von Energieträgern, also der Ersatz eines oder mehrerer Energieträger durch einen oder mehrere andere. Im Zuge der Energiebedarfsdeckung geht damit meist eine Änderung bei der Energieversorgungskette einher. Als Motive für solche Substitutionen kommen in erster Linie in Frage: • der Ersatz des Verbrauchs knapper oder unsicher verfügbarer Energieressourcen durch den Verbrauch solcher, die sicher und in ausreichender Menge verfügbar sind; • der Ersatz des Verbrauchs von erschöpflichen Energieressourcen (z.B. fossiler Brennstoffe) durch die Nutzung regenerativer Energiequellen (z.B. über Solarkollektoren); • Substitutionen im Bereich der Endenergie aus Gründen einer Verringerung der Umweltbelastung, einer verbesserten Handhabbarkeit oder wegen anwendungstechnischer Vorteile. Ebenfalls in diese Kategorie fällt eine Einsparung oder Substitution von Werkstoffen oder Produkten, sowie der Übergang auf andere Fertigungsverfahren. Hier stehen oft konstruktions- oder fertigungstechnische Erwägungen, oder auch das Streben nach Verbesserung der Produktqualität im Vordergrund. Gleichsam als Nebenwirkung können solche Maßnahmen den Aufwand an Endenergie insgesamt mindern, es kann sich aber auch die Energiedienstleistung wesentlich ändern.

16

1.5

1 Einführung und Grundbegriffe

Ganzheitliche Bewertung von Systemen

Eine ganzheitliche Betrachtung sucht nach Möglichkeiten, Maßnahmen und Verhaltensweisen, die nach dem ökonomischen Prinzip für einen optimalen Faktoreinsatz der genutzten volkswirtschaftlichen Ressourcen förderlich sind. Neben den Ressourcen Kapital, Arbeit, Boden und Rohstoffe ist dabei auch die Ressource Umwelt mit einzubeziehen. Die Unterschiedlichkeit dieser Ressourcen wirft das Problem auf, eine geeignete Größe zu finden, mit deren Hilfe sich der Verzehr an Ressourcen insgesamt zutreffend ausdrücken lässt, um einen aussagekräftigen Vergleich mit Alternativen zu ermöglichen. Monetäre Größen sind dafür gut geeignet, da sich jeglicher Aufwand grundsätzlich in Geld umrechnen lässt. Für eine ganzheitliche Betrachtung ist jedoch die „Internalisierung externer Kosten" notwendig, eine betriebswirtschaftlich orientierte Kostenrechnung reicht hierfür also nicht aus. Eine andere, häufig angewandte Möglichkeit ist die Untersuchung des Aufwandes an Primärenergie, die ja selbst eine Ressource darstellt und darüber hinaus eine Schlüsselfunktion bei den verschiedensten Arten produktiver Wertschöpfung hat. Seit die Bedeutung der „Klimagase" für die globale Erwärmung erkannt wurde, dient zunehmend auch der Ausstoß von CO2 als Indikatorgröße im Rahmen ganzheitlicher Betrachtungen. Das untersuchte System kann von einem einzelnen Anwendungsfall bis hin zu einer gesamten Volkswirtschaft reichen. In jedem Fall sind aber dabei alle relevanten Auswirkungen einer betrachteten Maßnahme zu berücksichtigen. Ein Konzept, das dieser Erfordernis Rechnung trägt, ist der Kumulierte Energieaufwand (KEA). Es handelt sich dabei um die Gesamtheit des primärenergetisch bewerteten Aufwandes, der im Zusammenhang mit der Herstellung, der Nutzung sowie der Beseitigung eines ökonomischen Gutes (Produkt oder Dienstleistung) entsteht bzw. diesem ursächlich zugewiesen werden kann (VDI 1997). Die Bilanzgrenze für die Ermittlung des KEA eines ökonomischen Gutes erstreckt sich von den Rohstoffen in der Lagerstätte bis hin zur Endlagerung bzw. Deponierung aller Materialien und Stoffe nach Beendigung der Nutzung (Lebenszyklusanalyse). Der KEA für einen Gegenstand oder eine Dienstleistung setzt sich somit aus drei Bestandteilen zusammen: • dem Primärenergieaufwand, der sich bei der Herstellung selbst sowie bei der Gewinnung, Verarbeitung, Herstellung und Entsorgung der Fertigungs-, Hilfs- und Betriebsstoffe und Betriebsmittel einschließlich der

1.5 Ganzheitliche Bewertung von Systemen

17

Transportaufwendungen insgesamt ergibt, • dem Primärenergieaufwand, der beim Betrieb oder der Nutzung auftritt. Neben dem direkten Betriebsenergieverbrauch beinhaltet dies auch den KEA für die Herstellung und Entsorgung von Ersatzteilen, Hilfs- und Betriebsstoffen sowie von Betriebsmitteln, die für Betrieb und Wartung erforderlich sind. • dem Primärenergieaufwand, der im Zuge des endgültigen Ausschleusens des betrachteten Gegenstandes aus dem Nutzungskreislauf entsteht. Bei der Ermittlung des durch die Herstellung bedingten KEA wird meist das Mittel der Prozesskettenanalyse angewandt: • Materialstammbäume geben die Arten und Mengen der erforderlichen Materialien an. Das betrifft in erster Linie die in das Produkt eingehenden Fertigungsstoffe in den verschiedenen Fertigungsebenen, vom Endprodukt bis hin zu den hierfür eingesetzten Rohstoffen. Darüber hinaus sind auch Betriebsmittel, wie bei der Herstellung zum Einsatz kommende Maschinen, Anlagen, Gebäude usw. anteilig zu berücksichtigen. • Für die einzelnen Produktionsprozesse, die im Zuge der Herstellung auf den verschiedenen Fertigungsebenen zum Tragen kommen, muss der spezifische Endenergieverbrauch bekannt sein. • Aus der Verknüpfung dieser beiden Informationen erhält man den Endenergieaufwand. Für jeden beteiligten Endenergieträger ist dann eine Rückrechnung auf Primärenergie mit Hilfe des „Bereitstellungsnutzungsgrades" erforderlich, um die energetischen Aufwendungen in den verschiedenen Stufen von Energiegewinnung, -transport und -umwandlung zu berücksichtigen. Die Ermittlung des KEA für Produkte und Dienstleistungen ist die Basis für die Berechnung bzw. für Hinweise auf • die damit verbundenen Materialaufwendungen • die Wahl der Werkstoffe und der Prozesstechnik unter energetischen Gesichtspunkten • die energetische Bedeutung der Behandlung benutzter Güter durch Teil-, Komponenten- oder Stoffrückführung, energetische Nutzung und Entsorgung • den Einfluss der Nutzungsdauer Energie verbrauchender oder umwandelnder ökonomischer Güter unter energetischen Gesichtspunkten • mit Energieumwandlungen bei Herstellung, Betrieb und Beseitigung verbundene Emissionen. In Abb. 1.5 ist als Beispiel für das Ergebnis einer ganzheitlichen Betrachtung der KEA verschiedener Einfamilienhäuser wiedergegeben (Geiger u.

18

1 Einführung und Grundbegriffe

Schaefer 1994). Bei der zugrundegelegten Nutzungsdauer von 50 Jahren macht der Betriebsenergieverbrauch bei konventionellen Wohngebäuden durchweg mindestens drei Viertel des KEA aus, mit abnehmender Tendenz infolge der steigenden Wärmeschutzanforderungen im Verlauf der letzten 30 Jahre. Bei sog. „Niedrigenergiehäusern“ geht dieser Anteil auf weniger als die Hälfte zurück, wobei der Herstellungsaufwand nur unwesentlich ansteigt. Anders ist es bei einem sog. „energieautarken“ Gebäude. Hier ist der Energieverbrauch zur Herstellung der äußerst aufwändigen bau- und gebäudetechnischen Ausstattung so groß, dass der gesamte KEA trotz entfallenden Betriebsenergieverbrauchs größer ist als beim Niedrigenergiehaus.

Bauperiode 1900-1929

72 %

1973-1982

82 %

1983-1992

76 %

Niedrigenergiehaus

47 %

Energieautarkes Haus Freiburg 10-320-C-04

0

20

40

60

GJ/m²

80

Kumulierter Primärenergieaufwand

Herstellung, Ersatzbedarf u. Wartung Betriebsenergie Abriss u. Entsorgung

Abb. 1.5. Kumulierter Primärenergieaufwand bei vollbeheizten Wohngebäuden

2

Deckung von Prozesswärmebedarf

2.1

Struktur und Bedeutung der Prozesswärme in der Industrie

Die Prozesswärme verursachte in Deutschland im Jahre 2005 einen Endenergieverbrauch von insgesamt 2.415 PJ, das sind 26,3 % des Gesamtverbrauchs aller Sektoren (vgl. Abb.1.3). Abbildung 2.1 zeigt, dass fast die Hälfte davon auf Gas entfällt. Feste Brennstoffe und Strom liegen mit jeweils einem Fünftel etwa gleichauf. Der Einsatz fester Brennstoffe ist nur in der Industrie von Bedeutung, hauptsächlich in Form von Koks bei der Stahlerzeugung. Die Bedeutung des Stroms als Energieträger für Wärmeprozesse (Elektrothermie) ist in den einzelnen Sektoren abgestuft, von 42 % Anteil in den Haushalten über 30 % im Sektor GHD bis hin zu 14 % in der Industrie. Der Grund für ihre durchweg wichtige Rolle liegt in der universellen Verfügbarkeit, verbunden mit einer technologischen Überlegenheit in vielen Anwendungsfällen . Da die Industrie im Bereich der Prozesswärme dominiert, wird im Folgenden näher auf die Gegebenheiten in diesem Sektor eingegangen. Für einen Überblick über die zeitliche Entwicklung stehen Daten des Energieverbrauchs für Prozesswärme nicht zur Verfügung. Deshalb wird hier auf 1800 20%

22%

Endenergieverbrauch für Prozesswärme in PJ

1600 Strom

Strom 1400

Feste Brennstoffe 2%

Heizöl

1200 Gas

9%

Gas

1000 26529-A-07 26529-A-07

800 47%

Insgesamt

600 Heizöl 400

200

Feste Brennstoffe

0 Industrie

GHD

Haushalte

Abb. 2.1. Endenergieverbrauch für Prozesswärme (Deutschland 2005)

Fernwärme

20

2 Deckung von Prozesswärmebedarf

den gesamten industriellen Brennstoff- und Stromverbrauch zurückgegriffen. Die Differenzierung nach Brennstoffen und Strom erweist sich wegen der unterschiedlichen Entwicklungstendenzen als sinnvoll und notwendig. Da bei den Brennstoffen die Wärmeprozesse für rd. 87 % des industriellen Gesamtverbrauchs verantwortlich sind, kann letzterer auch ohne weiteres als repräsentativ angesehen werden. Anders verhält es sich beim Strom. Elektrische Energie eignet sich als einziger Energieträger für sämtliche Anwendungen. Gliedert man den industriellen Stromverbrauch von insgesamt rd. 200 TWh auf nach Anwendungsarten, so dominieren die stationären Antriebe mit einem Anteil von fast zwei Dritteln. Der zweitwichtigste Posten ist die Elektrothermie: Etwa jede vierte Kilowattstunde wird in der Industrie für Prozesswärme verbraucht. Das bedeutet aber, dass die Entwicklung des gesamten industriellen Stromverbrauchs nur zu einem entsprechenden Teil durch die Trends auf dem Gebiet der Elektrowärme geprägt ist. Neben den Strukturveränderungen ist die Entwicklung der Fertigungsmengen als dominierende Einflussgröße für den industriellen Energieverbrauch anzusehen. Da es kaum eine aussagekräftige Möglichkeit gibt, die Fertigungsleistungen in einer physikalischen Einheit zusammenzufassen, bleibt nur die Möglichkeit, die Fertigung monetär zu bewerten und sie dann als „Nettoproduktionswert“ oder ! unter Bezug auf ein Basisjahr ! als „Nettoproduktionsindex“ anzugeben. In Abb. 2.2 ist dessen zeitliche Entwicklung zusammen mit den Verbrauchsindizes für Brennstoff und Strom aufgetragen (Wagner 1996). Ergänzend dazu gibt Abb. 2.3 die längerfristige Entwicklung des spezifischen, d.h. auf den Nettoproduktionsindex bezogenen Endenergieverbrauchs an Brennstoffen und an elektrischer Energie der Industrie in den Alten Bundesländern wieder. Von 1965 bis 1993 sank der spezifische Brennstoffverbrauch um über 60 %, weil • die Struktur der Produktionspalette sich gewandelt hat (Trend zu Produkten mit höherer Wertschöpfung), • Teile der Grundstoffproduktion (vor allem energieintensive) in andere Länder verlagert wurden, • gasförmige und flüssige Brennstoffe die festen substituiert haben, • elektrothermische Verfahren teilweise den Einsatz von Brennstoffen substituiert haben, • die Fertigungsanlagen leistungsfähiger geworden sind, was bei üblicher Auslastung in der Regel zu kleinerem spezifischen Energieverbrauch führt, • die gesamte Steuerungs-, Regelungs- und Leittechnik und damit die Temperatur- und Prozessführung verbessert wurden.

2.1 Struktur und Bedeutung der Prozesswärme in der Industrie

21

Angaben in % (Basis 1995 = 100)

150

125

100

75

50 Brennstoffe

25

Strom Produktionsindex

0 1990

1992

10-538-A-03

1994

1996

1998

2000

2002

Jahr

Abb. 2.2. Entwicklung des Endenergieverbrauchs des übrigen Bergbaus und verarbeitenden Gewerbes in Deutschland

*) ohne Brennstoffeinsatz zur Stromeigenerzeugung

200

30062-B-99

Prozent (Basis 1965 = 100)

180 160 Nettoproduktionsindex (NPI)

140 120

spezifischer Stromverbrauch (bezogen auf NPI)

100 spezifischer Brennstoffverbrauch*) (bezogen auf NPI)

80 60 40 20 0 1965

1970

1975

1980

1985

1990

1995

2000

Jahr

Abb. 2.3. Entwicklung des Nettoproduktionsindex (NPI) und des spezifischen Strom- und Brennstoffverbrauchs in der Industrie (alte Bundesländer)

Dagegen hat der spezifische Stromverbrauch in der Tendenz eher zugenommen. Die hier ebenfalls vorhandenen ! allerdings viel kleineren !

22

2 Deckung von Prozesswärmebedarf

Einsparungserfolge sind hier dadurch überdeckt, dass • der Mechanisierungs- und Automatisierungsgrad erheblich gestiegen ist, • der Hilfsenergiebedarf für die Mess-, Steuerungs- und Regelungsaufgaben erheblich zugenommen hat, wodurch erst die Voraussetzung für die entsprechenden Brennstoffeinsparungen geschaffen wurden, • elektrothermische Verfahren vermehrt zum Einsatz kommen, und • Umweltschutztechniken einen zusätzlichen Strombedarf hervorrufen. Die Bedeutung einzelner Branchen bzw. Industriehauptgruppen für den Bedarf an industrieller Prozesswärme ist aus Abb. 2.4 ersichtlich (Rudolph 2001). Die Rolle des Stroms stellt sich hier sehr unterschiedlich dar. Auffallend sind die großen Posten in der NE-Metallindustrie (Gewinnung von Aluminium) sowie in der Chemie (Chlorherstellung). In beiden Fällen handelt es sich um Elektrolyseprozesse. Eisenschaffende Industrie

NE-Metalle

Chemie

Brennstoffe

Strom

Sonst. Grundstoffe u. Produktionsgüter 30026-B-05 30026-B-05

Investitionsgüter

Verbrauchsgüter

Nahrungs- u. Genussmittel

Übriger Bergbau 0

2

4

6

8

10

12

14

16

Endenergieverbrauch in Mio. t SKE

Abb. 2.4. Endenergieverbrauch für industrielle Prozesswärme nach Branchen Deutschland (alte Bundesländer) 1992

In Abb. 2.5 wird der Stromverbrauch für Prozesswärme auf die einzelnen Branchen der Industrie heruntergebrochen (Rudolph 2001). Die Elektrolyseprozesse machen davon fast die Hälfte aus. Der größte Einzelposten bei den nicht-elektrolytischen Prozessen liegt in der Investitionsgüterindustrie. Es folgen mit etwa gleichen Anteilen die Eisen- und Stahlherstellung, die NE-Metalle und die chemische Industrie.

2.1 Struktur und Bedeutung der Prozesswärme in der Industrie

23

Abb. 2.5. Strom für Prozesswärme und Elektrolyse, nach Branchen (Deutschland 1998)

In Abb. 2.6 ist die geschätzte Aufteilung des industriellen Brennstoffverbrauchs für Prozesswärmeerzeugung zum einen auf Prozesstemperaturen in Intervallen von 100 K und zum anderen auf einzelne Industriebranchen bzw. -gruppen wiedergegeben (Wagner 1997). Der Bereich bis 200 EC kann auch aus KWK-Anlagen versorgt werden. Er macht knapp 30 % des gesamten Prozesswärmebedarfs aus, mit Schwerpunkten in folgenden Branchen: • Nahrungs- und Genussmittelindustrie (z.B. Koch- und Eindampfprozesse), • Chemische Industrie, • Zellstoff- und Papierindustrie (Trockenpartien der Papiermaschinen und Zellstoffkocher), • Textilindustrie (Färben, Auswaschen, Trocknen usw.), • Investitionsgüterindustrie (z.B. Reinigungsbäder, Lackierkabinen und Lacktrockner). Im Temperaturbereich von 1400 bis 1500 EC werden rd. 22 % des gesamten äquivalenten Brennstoffverbrauchs für Prozesswärme umgesetzt,

24

2 Deckung von Prozesswärmebedarf

26441-B-05 26441-B-05

Übrige

100

Nahrungsmittel Investitionsgüter Textilgewerbe

Brennstoffverbrauch in TWh

80

Glas und Feinker. Zellst., Papier Chemische Ind.

60

EST-Gießereien NE-Metalle 40

Eisenschaffende Steine und Erden Mineralölverarb.

20

0 0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Prozesstemperaturniveau in °C

Abb. 2.6. Brennstoffverbrauch für industrielle Prozesswärme nach Branchen und Temperaturniveau (Deutschland 1990)

davon über 80 % in der Eisenschaffenden Industrie, der Rest im wesentlichen in den Branchen Glas und Feinkeramik sowie Steine und Erden. In Abb. 2.7 ist in analoger Weise die Aufteilung des Stromverbrauchs für elektrothermische Prozesse angegeben. Rd. ein Drittel entfällt auf Prozesstemperaturen bis 100 EC; davon macht der Verbrauch für die Chlor-Alkali14 Übrige

26442-B-05 26442-B-05

Nahrungsmittel 12

Investitionsgüter Textilgewerbe Glas und Feinker.

Stromverbrauch in TWh

10

Zellst., Papier Chemische Ind. 8

EST-Gießereien NE-Metalle Eisenschaffende

6

Steine und Erden Mineralölverarb.

4

2

0 0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Prozesstemperaturniveau in °C

Abb. 2.7. Stromverbrauch für industrielle Prozesswärme nach Branchen und Temperaturniveau (Deutschland 1990)

2.1 Struktur und Bedeutung der Prozesswärme in der Industrie

25

Elektrolyse fast 90 % aus. Der zweite Schwerpunkt liegt mit einem Anteil von über 40 % im Temperaturbereich zwischen 900 und 1000 EC und ist fast ausschließlich bedingt durch die Schmelzflusselektrolyse zur Herstellung von Primäraluminium.

2.2

Industrielle Wärmeprozesse und Verfahren

Ein Wärmeprozess hat zur Aufgabe, den inneren Energieinhalt eines stofflichen Objektes nach örtlicher und zeitlicher Bestimmung zu beeinflussen, um dadurch an oder in diesem Objekt eine gewünschte Veränderung herbeizuführen (Rudolph 1995). Diese Veränderung kann in einem oder mehreren der folgenden Ziele bestehen: • Temperaturerhöhung bzw. Temperaturhaltung, bei Kühlprozessen auch Temperaturabsenkung, • Änderung des Phasenzustandes durch Schmelzen oder Verdampfen, • Änderung des Stoffgefüges (Kristallstruktur, Korngröße), • Änderung der Materialzusammensetzung durch Diffusionsvorgänge, deren Geschwindigkeit i.a. mit der Temperatur zunimmt, • chemische Reaktionen, deren Abläufe ebenfalls durch die Temperatur bestimmt sind. Der Differenzbetrag an gespeicherter Energie, der diese Veränderungen bewirkt, wird auch als Aktivenergie EA bezeichnet:

EA = m ΔhA

(2.1)

Die Aktivenergie ist proportional zur Masse m des Erwärmungsgutes. Bei dem Zuwachs an spezifischer Enthalpie ΔhA kann es sich handeln um: • fühlbare thermische Energie: ΔhA,fü = c Δh bei Erwärmung um Δh • latente thermische Energie ΔhA,lat als Schmelz- bzw Verdampfungsenthalpie bei Änderungen des Phasenzustandes (wie z.B. bei Trocknungsprozessen) oder als Umwandlungsenthalpie bei Änderungen des Stoffgefüges • chemisch gebundene Energie ΔhA,ch, falls der Prozess chemische Stoffumsetzungen beinhaltet, die mit einer Zunahme von Brennwerten verbunden sind. Der Zweck eines Wärmeprozesses besteht in der Regel darin, einen Beitrag zur Herstellung eines Produktes zu erbringen. Dieser Beitrag stellt generell die eigentliche Energiedienstleistung dar. Die Energiedienstleistungen, die mit Wärmeprozessen erbracht werden,

26

2 Deckung von Prozesswärmebedarf

anwendung und entziehen sich weitgehend einer schlüssigen Systematik. Neben dem charakteristischen Ziel des Fertigungsverfahrens ! nach DIN 8580 zählen dazu das Urformen, Umformen, Trennen, Fügen, Beschichten und Stoffeigenschaftändern ! sind auch noch Faktoren von Bedeutung wie die Höhe des Temperaturniveaus, auf dem sich der Prozess abspielt, die Art der beteiligten Stoffe (Metalle, Kunststoffe, Keramik, wässrige Substanzen usw.), die Unterscheidung zwischen volumetrischer, spalt- und oberflächenorientierter Bearbeitung sowie die Zusammenhänge mit vor- und nachgeschalteten Fertigungsschritten. Einige technisch wichtige Prozesstypen sind nachstehend aufgezählt: • Gewinnen von anorganischen Grundstoffen (Eisen und NE-Metalle, Glas) durch endotherme Reduktion bzw. organischen durch Umwandlung von CH-Verbindungen • Schmelzen von Metallen und Kunststoffen zum anschließenden Vergießen, bei Metallen und Halbleitern auch zur Reinigung von unerwünschten Bestandteilen, zur gezielten Beigabe von Zuschlagstoffen und zum Erreichen einer gewünschten Kristallstruktur • Durchgreifendes Erwärmen von Nichtmetallen auf hohe Temperaturen zur Erzielung von Gefügeumwandlungen, teilweise verbunden mit chemischen Umsetzungen (Brennen, Kalzinieren, Rösten, Graphitieren) • Durchgreifendes Erwärmen hauptsächlich von Metallhalbzeug auf Erweichungstemperatur zum anschließenden Warmumformen • Wärmebehandeln von Metallteilen zur Erzielung bestimmter Materialeigenschaften durch Änderung der Gefügestruktur und teilweise auch der Zusammensetzung: Jeweils verschiedene Arten des Glühens und des Härtens sowie Anlassen • Oberflächenmodifikation von Metallteilen zur Erfüllung ähnlicher Zwecke wie beim Wärmebehandeln, durch Aufschmelzen ohne Zusatzwerkstoff, Auftragschweißen, thermisches Spritzen, chemische oder physikalische Gasphasenabscheidung oder Ionenimplantation • Schweißen von Metallen bzw. auch Kunststoffen durch lokales Aufschmelzen mit oder ohne Zusatzwerkstoff (Schmelzschweißen) oder durch lokales Erwärmen und Zusammenpressen (Preßschweißen) • Löten von Metallen durch Vernetzen mit einem zu schmelzenden Zusatzmetall • Thermisches Abtragen (z.B. Schneiden, Bohren) durch lokales Aufschmelzen und z.T. Verdampfen von Metall, Keramik oder Kunststoff, mit Entfernung der abzutragenden Teilchen durch strömendes Fluid • Thermisches Trennen zur Entfernung flüssiger Substanzen aus Lösungen, Suspensionen oder Emulsionen (Verdampfen, Rektifizieren, Destillieren, Extrahieren)

2.2 Industrielle Wärmeprozesse und Verfahren

27

• Trocknen zur Entfernung flüssiger Substanzen von der festen Oberfläche oder aus dem Inneren kolloider und/oder kapillarporöser Güter • Thermische Behandlung hauptsächlich von Lebensmitteln im Zuge der Herstellung und Zubereitung (z.B. Auftauen, Garen, Backen, Haltbarmachen usw.) • Erwärmen von Wasser, Laugen usw. für Wasch- und Spülvorgänge Für die Prozesswärme als Gegenstand des eigentlichen Energiebedarfs gilt ebenso wie für die übrigen Nutzenergien (also Raumwärme, Arbeit, Licht und Nutzelektrizität), dass für die Deckung dieses Bedarfs zwei sehr unterschiedliche Produktionsmittel erforderlich sind, nämlich Energieträger und Energiewandler. Als Energieträger kommen die verschiedenen Brennstoffe sowie elektrische Energie, in manchen Fällen auch Fernwärme in Frage. Der Anwender bezieht sie in der Regel als Endenergie von einem Versorger. Unter dem Begriff des Energiewandlers sind alle apparativen Einrichtungen subsumiert, die dazu dienen, aus der eingesetzten Endenergie die Nutzenergieform Wärme in der benötigten Qualität und Quantität zur rechten Zeit am gewünschten Ort wirksam zu machen. Bei Wärmeprozessen gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, Energie auf das zu erwärmende Gut zu übertragen. Je nachdem ob es sich dabei um Wärme handelt oder um elektrische Energie, ist die Klassifizierung in mittelbare und unmittelbare Erwärmungsverfahren üblich, s. Abb. 2.8 (Rudolph u. Schaefer 1989), wobei es auch Mischformen gibt. Für die mittelbare Erwärmung ist eine Wärmeübertragung auf das Erwärmungsgut durch Wärmeleitung, Konvektion oder Temperaturstrahlung kennzeichnend. Die Wärme kann erzeugt werden • durch Einsatz von Brennstoffen in Wärmeerzeugern (auch mit KraftWärme-Kopplung), Öfen bzw. Brennern, • durch Einsatz elektrischer Energie in Heizleitern, Strahlern der verschiedenen Wellenlängenbereiche, im Lichtbogenerzeuger, Plasmabrenner oder Laser. Wird die Nutzwärme auf dem Umweg über Zwischenwärmeträger wie Dampf, oder Heißwasser erzeugt, so kommen wärmeübertragende Energiewandlerkomponenten wie Heizregister, Kalander, Reaktoren u.a.m. hinzu. In solchen Fällen spricht man auch von „indirekter Erwärmung“. Bei mittelbaren Erwärmungsverfahren muss in der Regel die gesamte Wärme von der Gutsoberfläche aus über Wärmeleitung oder Konvektion an den Wirkort transportiert werden, wo sie als Aktivenergie wirksam wird. (Ausnahmen hiervon sind die IR-Bestrahlung eines Gutes, das für diese

28

2 Deckung von Prozesswärmebedarf

Strahlung eine Durchlässigkeit aufweist, oder Verfahren mit Rieselfilm bzw. Dampfinjektion, bei denen sich das fluide Erwärmungsgut mit dem Wärmeträger innig vermischt). Bei der unmittelbaren Erwärmung wird dem Erwärmungsgut elektrische Energie zugeführt, meist über elektromagnetische Felder, die induktiv, konduktiv, kapazitiv oder über Resonatoren bzw. Antennen übertragen werden. Die Umwandlung in thermische Energie vollzieht sich im Inneren des Erwärmungsgutes durch Leitungsströme (Elektronen- oder Ionenleitung), bei orientierungspolarisierten Stoffen auch durch Verschiebungsströme. Im Falle von Elektronen- bzw. Ionenstrahlen erfolgt die Energieübertragung durch schnelle geladene Teilchen, deren kinetische Energie in einer Abfolge von Wechselwirkungen mit den Molekülen des Erwärmungsgutes abgebaut wird. Unmittelbare Erwärmung erfordert naturgemäß den Einsatz elektrischer Energie. Energiewandler sind zum einen alle Arten von Generatoren, Umrichtern etc., die dazu dienen, die eingesetzte elektrische Energie hinsichtlich Frequenz und Spannung entsprechend den Erfordernissen des Prozesses umzuwandeln, jedoch gehören dazu auch die Komponenten zur Energieübertragung auf das Erwärmungsgut, wie Induktoren, Konduktoren, Kondensatoren, Mikrowellen-Resonatoren bzw. Antennenstrahler. Das Erwärmungsgut selbst ist prinzipiell ebenfalls als Teil des Energiewandlersystems anzusehen. Bei unmittelbaren Verfahren ist die Wärme nur noch innerhalb des Erwärmungsgutes vom Ort ihres Entstehens an den Wirkort zu transportieren. Gelingt es, durch zweckmäßige Konzeption eines solches Verfahrens Prinzip: Mittelbare Erwärmung

Versorg.netz

El. En.

Energiewandlung

Wärme Zuführung

Erwärmungsgut

Übertragung

Therm. Energie

Aktivenergie

Energieverluste

Prinzip: Unmittelbare Erwärmung

Versorg.netz

El. En.

Äußere Energiewandlung

Elektrische Energie Zuführung

Erwärmungsgut Innere Energiewandlung

Therm. Energie

Energieverluste

Abb. 2.8. Prinzipien der Energieübertragung in der Elektrothermie

26291-A-03 26291-A-03

Aktivenergie

2.2 Industrielle Wärmeprozesse und Verfahren

29

Entstehungsort und Wirkort der Wärme hinreichend miteinander in Übereinstimmung zu bringen, so erwachsen aus dem Prinzip der unmittelbaren Erwärmung zwei wichtige Vorteile: • Wegen der kleineren zum Wärmetransport erforderlichen Temperaturunterschiede kommt man mit geringeren Übertemperaturen aus. • Da jegliche Wärmefortpflanzung Zeit braucht, kann die Erwärmung auch rascher vor sich gehen. In den meisten Fällen gibt es Wahlmöglichkeiten hinsichtlich des für einen bestimmten Wärmeprozess einzusetzenden Verfahrens. Hierbei stehen für den Anwender folgende Kriterien im Vordergrund: 1. Technisch-betriebliche Eignung: Ein Verfahren soll den prozess- und betriebstechnischen Erfordernissen gerecht werden. Die Ziele dabei sind das Erreichen und Einhalten einer gewünschten Produktqualität mit möglichst geringen Fertigungstoleranzen und Ausschussraten, sowie eine hohe Produktivität. Dabei soll das Verfahren flexibel und betrieblich „unauffällig“ sein, worunter zu verstehen ist: Sofort betriebsbereit, robust und fehlertolerant, zuverlässig, einfach und für das Personal angenehm handhabbar, nach Möglichkeit automatisierbar, vom Platzbedarf und von den Bearbeitungszeiten her in die Fertigungsabläufe einpassbar. Es gibt auch Fälle, in denen die Wahl eines Prozesswärmeverfahrens Auswirkungen hat, die über den betreffenden Fertigungsschritt hinausreichen. So können sich Unterschiede ergeben in der Quantität oder auch der Qualität des einzusetzenden Materials, oder es können Veränderungen bei vor- oder nachgelagerten Produktionsschritten eintreten. Das kann bis zum Erschließen neuer Konstruktionsweisen gehen, indem z.B. bestimmte hochbeanspruchte Teile nicht mehr aus Sondermetallen, sondern aus billigeren Grundwerkstoffen gefertigt und dann erst mit Hilfe geeigneter Verfahren beschichtet werden. 2. Wirtschaftlichkeit: Ein Verfahren soll unter den gegebenen Umständen wirtschaftlich sein. Freilich gibt es dafür keinen allgemeinverbindlichen Maßstab. Zu unterschiedlich sind die individuellen Möglichkeiten und Erwartungen, sowohl was die Höhe von Investitionen als auch was die Dauer von deren Bindung bzw. Amortisation angeht. Darüber hinaus gibt es in der Regel Wechselwirkungen mit dem vorgenannten Komplex, so dass Entscheidungen meistens aus einer Abwägung heraus getroffen werden müssen zwischen den Ansprüchen an die prozess- und betriebstechnische Leistungsfähigkeit eines Verfahrens und den Kosten, die der Anwender dafür zu tragen bereit ist. 3. Umwelt- und ressourcenbezogene Aspekte erlangen ! auch für den einzelnen Anwender ! zunehmende Bedeutung. Das reicht von der

30

2 Deckung von Prozesswärmebedarf

Verbesserung der Arbeitsplatzqualität durch geringere Emission von schadstoffbelasteten Abgasen, Abwärme und Lärm bis hin zu einer ganzheitlichen Betrachtung von Prozessalternativen. Dabei erfordert das Ziel einer ökologisch bzw. volkswirtschaftlich orientierten Gesamtbilanzierung das Verfolgen von Produktions- und Versorgungsketten und -bäumen, um Aussagen über Treibhausgas- und Schadstoffemissionen, Material- und Primärenergieaufwand etc. unter Einbezug der sonst oft nicht berücksichtigten externen Effekte zu erhalten. Dabei kann es aber auch wichtig sein, neben den rein quantitativen auch die qualitativen Gegebenheiten gebührend zu beachten. Hier sei vor allem auf den Primärenergiemix zur Stromerzeugung hingewiesen, der auf dem Wege über elektrothermische Verfahren den Einsatz von Kohle und Kernenergie, aber auch von regenerativen Energiequellen für alle Arten von Wärmeprozessen eröffnet. In dem äußerst heterogen strukturierten Bereich der industriellen Wärmeprozesse gibt es eine Vielzahl technischer Entwicklungen, die in den dafür in Frage kommenden Anwendungssegmenten entscheidende Verbesserungen bringen können: • gezielter Energieeintrag ins Innere des Erwärmungsgutes, nach Möglichkeit unmittelbar an den Wirkort (z.B. beim Durchwärmen fester Güter oder beim Trocknen) • Konzentration und Beschränkung der Energiezufuhr auf die am Prozess beteiligten Zonen oder Schichten des Werkstücks (z.B. beim Oberflächenhärten oder bei Verfahren zum Schweißen und Schneiden) • genaue zeitliche Dosierung der Leistungszufuhr bzw. der Leistungsaufnahme des Erwärmungsgutes wie für den Prozess erforderlich (z.B. bei Trocknungsverfahren) • Substitution der Nutzenergieart „Arbeit“ durch die Nutzenergieart „Wärme“ (z.B. bei Verfahren zum thermischen Abtragen) • integrierter Einsatz von Prozesswärme zur Verbesserung mechanischer Prozesse (z.B. Umformen durch Isothermschmieden, Thermoschleifen zur Herstellung von Holzschliff) • positive prozessspezifische Nebenwirkungen chemischer oder physikalischer Art (z.B. Einrühr- oder Entgasungseffekte, Vermeiden oder inhärentes Abfangen problematischer Prozessprodukte) • Umgestaltung von Prozessen zur Mehrfachnutzung von Energie in Kreisläufen und Kaskaden (z.B. innerer Wärme- und Stoffverbund bei Destillationsprozessen, mehrstufige Verdampfungsprozesse, Brüdenverdichtung) • Änderung von Prozessparametern und/oder Modifikation von Anlagen-

2.2 Industrielle Wärmeprozesse und Verfahren

31

komponenten zur Anpassung an das Versorgungsumfeld (Abwärmenutzung, äußerer Wärmeverbund)

2.3

Betriebsverhalten wärmetechnischer Anlagen

2.3.1

Grundsätzlicher Aufbau und Funktionsprinzipien

Als wärmetechnische Anlage sollen die Teile des Energiewandlers verstanden werden, in denen die Nutzwärme erzeugt und auf das Erwärmungsgut übertragen wird. Die wesentlichen Funktionseinheiten einer wärmetechnischen Anlage sind: • der Innenraum, in dem sich das zu erwärmende Gut während der Dauer seines Aufenthaltes befindet und dessen Atmosphäre hinsichtlich Druck, Zusammensetzung, Austausch und Strömung den Erfordernissen des Prozesses genügen muss; • das Gehäuse, das den Innenraum umgibt und damit in erster Linie den Energiehaushalt prägt, jedoch in manchen Fällen auch für physikalische bzw. chemische Wirkungen wichtig sein kann; • der Objektträger für Beschickung, Lagerung bzw. Transport des zu erwärmenden Gutes im Innenraum; • die Beheizungseinrichtung, die der Erzeugung der Nutzwärme dient (z.B. Brenner, Strahler, Heizregister). In den Fällen einer unmittelbaren Erwärmung, d.h. wenn die Wärme im Gut selbst erzeugt wird, tritt an die Stelle der Beheizungseinrichtung eine elektrische Einrichtung zur Übertragung der elektrischen Energie auf das Gut. Der Energie- bzw. Leistungsbedarf einer wärmetechnischen Anlage wird im wesentlichen von folgenden Faktoren bestimmt: • von der Art, der Größe, der Funktionsweise und dem technischen Zustand der Anlage, • von den für den Betrieb der Anlage erforderlichen Betriebszuständen (Temperaturen, Fördergeschwindigkeiten), • von den Umwelteinflüssen, insbesondere dem Umgebungszustand, • vom Lastgrad, • vom zeitlichen Ablauf des Einsatzes und der Art der Betriebsführung.

32

2 Deckung von Prozesswärmebedarf

• vom zeitlichen Ablauf des Einsatzes und der Art der Betriebsführung. Hinsichtlich der Beschickung und Führung des Erwärmungsgutes in der Anlage unterscheidet man zwei grundsätzlich unterschiedliche Funktionsweisen: • Standanlagen und • Durchlaufanlagen. 2.3.1.1 Standanlagen

Eine Standanlage wird zu Beginn des Prozesses mit einer gewissen Menge m des zu erwärmenden Gutes beschickt, das während der Aufenthaltsdauer TG in der Regel an der gleichen Stelle in der Anlage verbleibt und danach entnommen wird. Anschließend kann sich dieser Vorgang wiederholen (periodischer Chargenbetrieb). Abbildung 2.9 (Rudolph u. Schaefer 1989) zeigt einige Beispiele für die möglichen Bauformen von Standanlagen. Statt der hier angedeuteten elektrischen Heizelemente kann die Beheizung z.B. auch durch heiße Verbrennungsgase erfolgen.

26-166-A-01 26-166-A-01

Abb. 2.9. Einige Bauformen von Standöfen

Feste, stapelbare Erwärmungsgüter werden oft auf einer Herdplatte (meist aus Stahl) in der Anlage gelagert. Um die Beschickung zu erleichtern, kann der Herd auch horizontal oder vertikal beweglich sein (z.B. Herdwagenofen, Hubherdofen). Zur Aufnahme flüssiger Güter dienen Behälter in Tiegel-, Wannen- oder Trommelform. Die Erwärmungsdauer TA, in der dem Erwärmungsgut die Aktivenergie zugeführt wird, kann auch kleiner sein als die gesamte Aufenthaltsdauer TG. Das ist dann der Fall, wenn sich an die eigentliche Erwärmung des Gutes noch eine Warmhalte- bzw. Abkühlphase innerhalb der Anlage anschließt. Abbildung 2.10 gibt qualitativ den typischen zeitlichen Verlauf der

2.3 Betriebsverhalten wärmetechnischer Anlagen

33

energetischen Größen wieder. Um einen gewünschten Enthalpieverlauf hG(t) des Gutes zu erreichen, muss zeitlich dosiert ein entsprechender Betrag an Aktivleistung

PA ( t ) = mhG ( t )

(2.2)

auf das Erwärmungsgut übertragen werden. Hierfür muss der Anlage insgesamt eine Leistung zugeführt werden, welche die Aktivleistung und die Summe der Verlustleistungen deckt:

Pzu (t) = PA (t) + ∑ PV (t) + E Sp

(2.3)

In diese Bilanz geht auch eine etwaige Veränderung der in der Anlage gespeicherten Energie, ESp, mit ein. Das betrifft nicht nur die Phasen des Anheizens und Abkühlens der Anlage. Wird z.B. kaltes Erwärmungsgut in eine Anlage eingebracht, deren Wände bereits auf Betriebstemperatur P Pzu(t)

PA(t)

Pzu,LB EA

0 t

TA h 26100-A-99 26100-A-99

hG(t)

ΔhA

Aufheizende

t

TG Beschickung

Abb. 2.10. Zum Funktionsprinzip einer Standanlage

Entnahme

34

2 Deckung von Prozesswärmebedarf

gebracht sind, so wird ein Teil der Aktivleistung aus einer Abkühlung dieser Wände gedeckt. Vorübergehend kann dann PA(t) > Pzu(t) sein. In vielen Fällen erfolgt die Energiezufuhr diskontinuierlich, z.B. durch taktweisen Betrieb eines Gas- oder Ölbrenners mit lastabhängigem TaktPause-Verhältnis. Die Aktivenergie ergibt sich aus der Integration der Aktivleistung zu

EA =

∫ P dt = m Δh A

A

(2.4)

TA

2.3.1.2 Durchlaufanlagen

In der Durchlaufanlage wandert das Erwärmungsgut während seiner Aufenthaltsdauer TG stetig oder schubweise vom Eingang zum Ausgang der Anlage. Im Gegensatz zur Standanlage finden Beschickung und Entnahme des Erwärmungsgutes hier an unterschiedlichen Stellen der Anlage statt. Dieser Sachverhalt ist in Abb. 2.11 qualitativ skizziert. Beschickung und Entnahme erfolgen kontinuierlich oder partienweise. Bei gegebener Anlagenlänge L und Durchlaufgeschwindigkeit v ist die Aufenthaltsdauer des Gutes

TG =

L . v

(2.5)

 sowohl am Eingang als auch am Ausgang als Wird der Gutsdurchsatz m zeitlich konstant angenommenen, so befindet sich im stationären Zustand eine Gutsmenge

 G m = mT

(2.6)

in der Anlage. Die „Aktivzone“ der Länge LA, in der dem Gut die Aktivenergie zugeführt wird, ist in manchen Fällen kleiner die Gesamtlänge L der Anlage. Neben der Aktivzone können auch Halte- und Abkühlzonen enthalten sein, in denen dem Gut keine Aktivenergie zugeführt wird. Der gewünschte zeitliche Enthalpieverlauf hG(t) des Erwärmungsgutes kommt durch einen örtlichen Enthalpiezuwachs

MhG hG ( x) = Mx v

(2.7)

während des Durchlaufes durch die Aktivzone der Anlage zustande. hG ( x ) ist die zeitliche Enthalpiezunahme des Gutsteiles am Ort x.

2.3 Betriebsverhalten wärmetechnischer Anlagen

35

Pzu 26101-A-99 26101-A-99

PA

PKühl

m

Beschickung

Entnahme

v

Aktivzone Gesamtlänge

h

hG(x) ΔhA

0

x

LA

L

Abb. 2.11. Zum Funktionsprinzip einer Durchlaufanlage

Um diese Enthalpiezunahme zu bewirken, muss die Zufuhr von Aktivenergie örtlich dosiert werden:  MPA Mh ( x) m m  G =m = hG ( x ) = hG ( x ) Mx Mx v L

(2.8)

Die gesamte Aktivleistung

PA =

∫

LA

MPA  ΔhA dx = m Mx

(2.9)

ist im stationären Fall zeitlich konstant. Das bedeutet normalerweise auch eine konstante zugeführte Leistung Pzu.

36

2 Deckung von Prozesswärmebedarf

Aufgrund dieser Charakteristik eignet sich die Durchlaufanlage vor allem zur (quasi-)kontinuierlichen Erwärmung größerer Mengen von Gütern mit hinreichend kleinen, nicht zu sperrigen Abmessungen. Für den Transport des Gutes zwischen Eingang und Ausgang gibt es eine Reihe unterschiedlicher Lösungen, wie Abb. 2.12 (Rudolph u. Schaefer 1989) an einigen Beispielen zeigt. Stückige Güter oder Schüttgüter in Behältern können auf Förderband, Rollengang, Hubbalken, Herdwagen oder Drehherd durch den Ofen wandern. Für die Förderung loser Schüttgüter eignet sich der Schüttelherd oder die Trommel mit Förderschnecke. 26-167-A-01 26-167-A-01

Abb. 2.12. Einige Bauformen von Durchlauföfen

2.3.2

Energetische Bilanzierung

In Abb. 2.13 ist der Energiefluss in einer wärmetechnischen Anlage in allgemeiner Form qualitativ skizziert. Als erster Schritt der energetischen Bilanzierung einer wärmetechnischen Anlage ist zur räumlichen Abgrenzung der Bilanzkreis festzulegen. Alle über die Bilanzgrenzen eintretenden Energien E zu sind zugeführte, alle austretenden Eab sind abgeführte Energien. Die Bilanzgleichung lautet:

∑E

zu

=∑ Eab + ΔESp .

(2.10)

2.3 Betriebsverhalten wärmetechnischer Anlagen

37

Σ Εzu 29126-B-05 29126-B-05

ΕΑ Aktivenergie

Ε rück Εüb Εaus

Εein Eab, Nutz

Δ Ε Sp

Σ Εab,Verl

Σ Εab

Abb. 2.13. Allgemeines Schema der Energieflüsse in einer wärmetechnischen Anlage

Ein Teil der insgesamt zugeführten Energie ΣEzu wird im Sinne des Prozesszieles als Aktivenergie EA wirksam. Soweit diese beim Verlassen der Anlage noch an das Erwärmungsgut gebunden ist, stellt sie den Posten Eab,Nutz 3 dar. Eüb ist der Teil der Aktivenergie, der innerhalb der Anlage weitergegeben wird, z.B. an Luft oder Anlagenwände. Diejenigen Teile der insgesamt abgeführten Energie ΣEab, die nicht dem Posten Eab,Nutz angehören, sind im Verlustposten ΣEab,Verl zusammengefasst. Dazu gehören in erster Linie • die Wärmeabgabe durch Konvektion, Strahlung und Leitung über die Umschließungsflächen der Anlage • die thermische Energie der Verbrennungsabgase einer brennstoffbeheizten Anlage

3

Bei einem Trocknungsprozess kann das verdampfte Wasser als (ursprünglicher) Teil des Erwärmungsgutes angesehen werden. Seine Verdampfungsenthalpie, welche die Aktivenergie darstellt, ist daher Bestandteil des Postens Eab,Nutz, soweit nicht innerhalb der Anlage wieder Kondensation stattfindet.

38

2 Deckung von Prozesswärmebedarf

• Abluftverluste einer von Luft (oder einem anderen Gas) durchströmten Anlage Rückgeführte Energieflüsse Erück sind dadurch gekennzeichnet, dass sie zumindest teilweise Bestandteil der Aktivenergie werden können. Beispiele dafür sind: • Gutsvorwärmung durch gegenströmende Luft, die das Gut vor Verlassen der Durchlaufanlage abkühlt. Ein solcher rückgeführter Energiefluss stammt aus dem Posten Eüb; • Vorwärmung der Verbrennungsluft im Abgaswärmetauscher. ΔESp ist die Veränderung (per saldo) von in der Anlage thermisch, mechanisch oder auch chemisch gespeicherter Energie, entweder als Zuwachs durch Einspeicherung einer Energiemenge Eein, oder als Abnahme durch Austrag einer Energiemenge Eaus. ΔESp kann also positives oder negatives Vorzeichen haben. Meist handelt es sich dabei um eine Erwärmung oder Abkühlung von Anlagenbauteilen. Diese steht oft in Wechselwirkung mit einer Abkühlung oder Erwärmung des Gutes, also mit dem Posten der Aktivenergie. Als weitere Dimension tritt zur räumlichen Abgrenzung die zeitliche Abgrenzung hinzu. Alle Energieströme sind über einen einheitlichen Betrachtungszeitraum T0 zu bilanzieren. Die zweckmäßige Wahl dieses Betrachtungszeitraumes hängt von der Fragestellung ab. Betrachtet man die Energieflüsse zu irgendeinem Zeitpunkt, so nimmt Gl.(2.10) die Form einer Leistungsbilanz an, vgl. Gl.(2.3). Aus dieser energetischen Leistungsbilanz lassen sich in der Momentanbetrachtung zwei Arten von Betriebszuständen einer Anlage unterscheiden: • E Sp = 0 : Stationärer, d.h. unveränderlicher Zustand der Anlage; • E Sp ≠ 0 : Instationärer, d.h. veränderlicher Zustand der Anlage. Ein exakt stationärer Zustand während des Erwärmungsbetriebes ist nur in Einzelfällen bei Durchlaufanlagen anzutreffen, wenn der Lastgrad sich nicht ändert und dementsprechend die Leistungen Pzu und Pab zeitlich konstant sind. Die Dauer des Betrachtungszeitraumes kann in einem solchen Fall grundsätzlich beliebig gewählt werden; praktisch ist sie hauptsächlich durch messtechnische Aspekte bestimmt. Bei Standanlagen ist ein exakt stationärer Zustand allenfalls im Leerbetrieb möglich, nicht aber, wenn ein Gut erwärmt wird. Bei der Betrachtung eines Erwärmungszyklus kann man hingegen von "quasistationären" Verhältnissen sprechen, wenn der Zustand der Anlage am Anfang und am

2.3 Betriebsverhalten wärmetechnischer Anlagen

39

Ende der gleiche ist und sich dazwischen nicht wesentlich geändert hat, wenn also die Anlage nicht stark abgekühlt und wiederaufgeheizt wurde ( ΔESp ≈ 0 ). Ein quasistationärer Fall liegt auch vor, wenn eine Anlage durch getaktete Energiezufuhr auf Betriebstemperatur gehalten wird, vorausgesetzt, die Anlage hat bereits einen thermischen Beharrungszustand erreicht. Die Resultate einer Bilanzierung unter stationären oder quasistationären Bedingungen dienen in erster Linie der energietechnischen Beurteilung einer Anlage in dem betreffenden Zustand. Enthält der Betrachtungszeitraum dagegen Aufheiz- und/oder Abkühlphasen, also instationäre Betriebszustände der Anlage, so können die Resultate einer Bilanzierung nicht mehr in direkten Zusammenhang mit einem bestimmten Zustand der Anlage gebracht werden. Dafür geht nun die Art und Weise des zeitlichen Einsatzes und die Art der Betriebsführung ein, so dass die möglichen Aussagen mehr auf der betriebstechnisch/wirtschaftlichen Seite liegen. Dementsprechend wird der Betrachtungszeitraum meist betriebsorganisatorisch (z.B. Fertigungszyklus, Schicht) oder kalendarisch (Tag, Woche, Monat, Jahr) bestimmt sein (s. hierzu Kap. 2.4). Energieströme oder Energieumwandlungen, die sich ausschließlich innerhalb oder ausschließlich außerhalb des Bilanzkreises abspielen, treten in Bilanzgleichung (2.10) nicht in Erscheinung. Das ist bei der Aufstellung einer Energiebilanz manchmal von Vorteil. Oft interessieren jedoch auch die energetischen Vorgänge innerhalb einer Anlage. Dann muss die Energiebilanz zur Analyse der Energieflüsse weiter detailliert werden. Der Grad der Detaillierung hängt wiederum von der Fragestellung und auch von der Art und der Größe der Anlage sowie nicht zuletzt von den messtechnischen Möglichkeiten der Erfassung von relevanten Größen ab. Als Beispiel für die Möglichkeiten zur Energiebilanzierung zeigt Abb. 2.14 schematisch die Energieflüsse eines gasbeheizten Ofens, bei dem zur Wärmerückgewinnung ein rekuperativer Wärmeaustauscher eingesetzt ist. Aufgabe des Rekuperators ist es, unter Ausnutzung der Enthalpie des heißen Ofenabgases im kontinuierlichen Betrieb die Verbrennungsluft vorzuwärmen. Je nach Fragestellung können drei unterschiedliche Bilanzräume festgelegt werden: • Ofen, • Rekuperator, und • Ofen + Rekuperator. In der Gesamtbilanz werden die in den Einzelbilanzen erscheinenden   Energieströme H Abgas,1 und HLuft,2 nicht mehr erfasst, da sie nun gänzlich

40

2 Deckung von Prozesswärmebedarf

innerhalb des Bilanzraumes liegen. In der messtechnischen Praxis schließen sich Bilanzen infolge der unver meidlichen Messunsicherheiten in der Regel nur durch Hinzufügen eines Restgliedes, das die Messabweichungen saldiert.

 H Abgas,1

26438-A-05 26438-A-05

 Q Reku  H Luft,1

Rekuperator

 H Abgas,1  Q Ofen

Ofen

 H Gut,zu

Gutsdurchlauf

 H Gut,ab

 H Luft,2

Pel

 H Brennstoff

Abb. 2.14. Bilanzschema eines Ofens mit Rekuperator

2.3 Betriebsverhalten wärmetechnischer Anlagen

2.3.3

41

Stationäres Betriebsverhalten in Abhängigkeit vom Lastgrad

Die momentane Auslastung einer wärmetechnischen Anlage wird beschrieben durch den Lastgrad

l=

 m , N m

(2.11)

also den Quotienten aus der aktuellen Produktionsleistung und der Produktionskapazität im Nennbetrieb. Der Nennbetrieb entspricht meist den N = m  max . Bedingungen maximaler Produktionskapazität, d.h. m Die Produktionsleistung einer wärmetechnischen Anlage wird durch ihren  an Erwärmungsgut charakterisiert. Bei Standanlagen handelt Durchsatz m es sich hierbei um eine diskretisierte Größe, nämlich den Quotienten aus der Chargenmenge m und der Aufenthaltsdauer4 TG der Charge im Ofen, analog Gl.(2.6):

 = m

m TG

(2.12)

Für jede wärmetechnische Anlage gibt es eine maximal mögliche  max . Darunter soll die höchstmögliche Menge an Produktionskapazität m Erwärmungsgut verstanden werden, die je Zeiteinheit oder in einem zu betrachtenden Zeitraum in der Anlage dem wärmetechnischen Prozess unterzogen werden kann. Die maximale Produktionskapazität kann durch räumliche oder durch energetische Kriterien bestimmt sein. Welche Faktoren darin eingehen, hängt auch davon ab, ob es sich um eine Stand- oder um eine Durchlaufanlage handelt. Tabelle 2.1 zeigt die entsprechenden Zusammenhänge. Bei Standanlagen wirken begrenzend: • das maximale Fassungsvermögen mmax in Verbindung mit der minimalen Aufenthaltsdauer TG,min bzw. der minimalen Erwärmungsdauer TA,min ; • die maximal auf das Gut übertragbare Aktivleistung PA,max (im zeitlichen Mittel über die Erwärmungsdauer TA); Bei Durchlaufanlagen wirken begrenzend:

4

Die notwendigen Zeiten für das Einbringen und das Entnehmen des Gutes seien hier als vernachlässigbar klein angenommen.

42

2 Deckung von Prozesswärmebedarf ⎛ ∂m ⎞

• die maximale Packungsdichte des Gutes je Längeneinheit, ⎜⎝ ∂x ⎟⎠max , in Verbindung mit der maximalen Durchlaufgeschwindigkeit vmax ; ⎛ ∂PA ⎞

• die maximal übertragbare Aktivleistung je Längeneinheit, ⎜⎝ ∂x ⎟⎠max (im örtlichen Mittel über die Aktivlänge LA), zusammen mit deren maximal möglichem Wert. Diese beiden Größen multipliziert ergeben wiederum die maximale Aktivleistung. Generell ist ferner die Produktionskapazität einer Anlage gegebener Aktivleistung umso größer, je kleiner der erforderliche Betrag der spezifischen Aktivenergie ΔhA ist. Tabelle 2.1

Begrenzendes Kriterium Räumlich

Energetisch

Begrenzende Faktoren für die Produktionskapazität einer wärmetechnischen Anlage Standanlage

 max = m

 max = m

mmax TG,min

Durchlaufanlage

∂m ⎞  max = ⎛⎜ m ⎟ vmax ⎝ ∂x ⎠ max

PA,max ΔhA,min

 max m

⎛ ∂PA ⎞ LA,max ⎜ ⎟ ⎝ ∂x ⎠max = ΔhA,min

Die räumlichen und energetischen Kriterien stehen miteinander in Verbindung. So ist die minimale Aufenthaltsdauer des Gutes in einer Standanlage einerseits durch den Prozess bestimmt, andererseits aber auch abhängig von der Aktivleistung, die in der Anlage auf das Erwärmungsgut übertragen werden kann. Entsprechendes gilt für den Zusammenhang zwischen der Durchlaufgeschwindigkeit des Gutes in einer Durchlaufanlage und deren längenspezifischer Aktivleistung. Zwischen dem Energieverbrauch je Zeiteinheit einer wärmetechnischen Anlage unter stationären bzw. quasistationären Bedingungen, Pzu, und ihrem Lastgrad l besteht in aller Regel ein linearer Zusammenhang:

Pzu = Pzu,LB + ( Pzu,N − Pzu,LB ) l

(2.13)

2.3 Betriebsverhalten wärmetechnischer Anlagen

43

Hierbei ist Pzu,LB der Energieverbrauch je Zeiteinheit, den die Anlage im Leerbetrieb hat. Der Leerbetrieb ist durch einen Lastgrad von Null gekennzeichnet. Das bedeutet, dass die Anlage kein Gut erwärmt, jedoch in Betriebsbereitschaft gehalten wird. Hierzu ist es insbesondere erforderlich, dass die äußeren Wärmeverluste durch Energiezufuhr ausgeglichen werden; Pzu,N der Energieverbrauch je Zeiteinheit der Anlage im Nennbetrieb. Es sei nochmals darauf hingewiesen, dass namentlich bei Standanlagen die zugeführte Leistung ! soweit es sich nicht um den Leerbetrieb handelt ! normalerweise nicht konstant ist. Kann ein solcher Betriebsbereich als „quasistationär“ angesehen werden, so stellt die Leistung Pzu den Mittelwert der zugeführten Leistung über den Betrachtungszeitraum dar, der die Behandlungszeit einer oder mehrerer Chargen beinhalten kann. Der in Gl. (2.13) formulierte Zusammenhang lässt sich als energetische Kennlinie für das stationäre Betriebsverhalten darstellen. Abb. 2.15 zeigt im oberen Teil eine solche Kennlinie für einen elektrischen Durchlauf-Trockner, mit zusätzlicher Unterteilung in die einzelnen Posten, die bei der abgeführten Leistung unterschieden werden können. Prinzipiell liegt also für jeden Lastgrad eine Energiebilanz nach dem Schema von Abb. 2.13 zugrunde. Jeder der einzelnen Leistungsposten hängt ebenfalls linear vom Lastgrad ab. Der Bedarf an Aktivenergie je Zeiteinheit ist proportional zum Lastgrad:

PA = l PA,N ,

(2.14)

wobei für den Nennbetrieb

 N ΔhA PA,N = m

(2.15)

ist. Der (energetische) Wirkungsgrad der Anlage im stationären bzw. quasistationären Betrieb ergibt sich als Verhältnis von Nutzen zu Aufwand, also P η= A . (2.16) Pzu Er steigt mit wachsendem Lastgrad stets an, wie beispielhaft im unteren Teil von Abb. 2.15 zu sehen ist. Bezeichnet man den Wirkungsgrad bei einem Lastgrad von Eins als Nennwirkungsgrad ηN, so erhält man

44

2 Deckung von Prozesswärmebedarf

200

26439-A-05 26439-A-05

Leistung in kW

ie e rg En

Erwärmen von Gut und Transporteinrichtung

e hrt efü Zug

150

Aktivenergie

100

50

Fortluft-Verlust Oberflächen-Verlust

0 0

50

100 Verdampfungsleistung in kg/h

150

200

2 26440-A-05 26440-A-05

Spezifischer Energieverbrauch in kWh/kg 1,5

1

d Wirkungsgra 0,5

0 0

50

100

150

200

Verdampfungsleistung in kg/h

Abb. 2.15. Elektrischer Durchlauftrockner im stationären Betrieb

η=

1 P ⎛1 ⎞ 1 + zu,LB ⎜ − 1 ⎟ Pzu,N ⎝ l ⎠

ηN

(2.17)

Dieser Zusammenhang zwischen Wirkungsgrad und Lastgrad ist in Abb. 2.16 dargestellt. Eine andere Möglichkeit, die Effizienz der Anlage zu quantifizieren, bietet die Größe des spezifischen Energieverbrauchs

e=

Pzu =  m

∑E

zu

m

(2.18)

Wie ebenfalls in Abb. 2.15 zu erkennen ist, geht der spezifische Energieverbrauch mit steigendem Lastgrad zurück, weist also die gegenläufige Tendenz zum Wirkungsgrad auf. Ist eN der spezifische Energieverbrauch bei einem Lastgrad von Eins, so erhält man

2.3 Betriebsverhalten wärmetechnischer Anlagen

1

0 Normierter Leerbetriebsverbrauch:

0,9

0,1

0,8

0,2

0,7

0,4

0,6

0,6

26517-A-06 26517-A-06

Normierter Wirkungsgrad

45

0,8

0,5

1

0,4 0,3 0,2 0,1 0 0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

Lastgrad

Abb. 2.16. Wirkungsgrad einer wärmetechnischen Anlage in Abhängigkeit vom Lastgrad

⎡ P ⎛1 ⎞⎤ e = ⎢1 + zu,LB ⎜ − 1 ⎟ ⎥ eN . Pzu,N ⎝ l ⎠ ⎥⎦ ⎣⎢

(2.19)

Zwischen dem Wirkungsgrad und dem spezifischen Energieverbrauch gilt bei jedem beliebigen Lastgrad der Zusammenhang

eη = ΔhA . 2.3.4

(2.20)

Betriebsverhalten im instationären Zustand

Ein instationärer Zustand liegt vor, wenn die Temperaturen in den Wänden einer Anlage sich zeitlich ändern. Das kann folgende Ursachen haben: • Die Anlage wird angeheizt, um sie betriebsbereit zu machen • Die Anlage kühlt ab, weil sie nicht mehr benutzt wird • Die Anlage wird mit kaltem Erwärmungsgut beschickt. Da die Dicke der Anlagenwände meist klein ist gegen die sonstigen Abmessungen, kann man sich für die wärmetechnische Beschreibung instationärer Vorgänge in vielen Fällen auf die eindimensionale Betrachtung von Temperaturgradienten und Wärmeströmen längs einer Koordinate

46

2 Deckung von Prozesswärmebedarf

senkrecht zu den Umschließungsflächen beschränken. Den nachfolgenden Beschreibungen des instationären Betriebsverhaltens liegen zwei fundamentale Vereinfachungen zugrunde: • Es handelt sich um eine einschichtige, ebene und homogen aufgebaute Wand. • Die Stoffgrößen sowie die Wärmeübergangskoeffizienten sind temperaturunabhängig. In der Praxis liegen die Verhältnisse allerdings meist komplizierter: • Die Anlagenwände sind oft mehrschichtig aufgebaut (meist temperaturbeständige Ausmauerung innen und Wärmedämmung außen); • Teile der Umhüllung, wie z.B. die Unterseite, sind anders aufgebaut und weisen auch andere Wärmeübergangsverhältnisse nach außen auf; • Sowohl die Wärmekapazität als auch die Wärmeleitfähigkeit der meisten Baustoffe ist von der Temperatur abhängig; • Es gibt konstruktiv bedingte Wärmebrücken in den Anlagenwänden; • An den Ecken und Kanten einer Anlage verläuft der Wärmefluss in den Wänden mehrdimensional; • Der äußere Wärmeübergang hängt von der Temperatur an der äußeren Oberfläche ab. Das betrifft zum einen den konvektiven Anteil und wird verstärkt durch die andersartigen Gesetze des strahlungsbedingten Wärmeübergangs. • In vielen Anlagen wird die Innenatmosphäre umgewälzt und teilweise ausgetauscht. Um solche Gegebenheiten zu berücksichtigen, werden numerische Berechnungsmethoden herangezogen, z.B. (Roth 2003). 2.3.4.1 Abkühlung einer Ofenwand

Zunächst soll die Temperatur ϑ ( x, t ) beim Abkühlen einer Anlagenwand analysiert werden. Diese Wand besteht aus einer homogenen Schicht der Dicke d mit den temperaturunabhängigen Stoffgrößen • Wärmeleitfähigkeit λ [W/m/K] • Spezifische Wärmekapazität c [kJ/kg/K] • Dichte ρ [kg/dm3] Die Ortskoordinate x beginnt an der Wandinnenseite. Zu Beginn des Abkühlvorgangs (t = 0) befinde sich die Anlage in einem stationären Zustand (s. Abb. 2.17). Dann fließt vom Innenraum der Anlage mit der Temperatur ϑi in die äußere Umgebung mit der Temperatur ϑa ein stationärer Wärmestrom der Dichte

2.3 Betriebsverhalten wärmetechnischer Anlagen

47

d

26406-A-05 26406-A-05

ϑi ϑ0

ϑ ( x ,0 )

ϑ

ϕstat

ϑa

0

x

d

Abb. 2.17. Stationärer Wärmedurchgang durch eine Ofenwand

ϕstat = k ⋅ (ϑi − ϑa ) = α i ⋅ (ϑi − ϑ0 )

(2.21)

mit dem Wärmedurchgangskoeffizienten

k=

1

αi

+

1 d

λ

+

1

.

(2.22)

αa

Hierin sind αi bzw. αa die Wärmeübergangskoeffizienten (bedingt durch Konvektion und Strahlung) an der Innen- bzw. Außenseite der Wand. Aus der Wärmeleitungsgleichung

ϕ ( x) = − λ

Mϑ ( x ) Mx

(2.23)

folgt, dass das Temperaturprofil in der Wand im stationären Zustand linear ist: x ϑ ( x, 0 ) = ϑ0 − k (ϑi − ϑa ) . (2.24)

λ

Aus Gl.(2.21) lässt sich der Anfangswert der Temperatur an der Innenseite der Wand errechnen:

48

2 Deckung von Prozesswärmebedarf

ϑ0 = ϑi −

k

αi

⋅ (ϑi − ϑa ) = ϑ ( 0, 0 ) .

(2.25)

Mündet ein Wärmestrom in eine Senke, so führt dies an der betreffenden Stelle zu einer Temperaturzunahme (und vice versa eine Wärmestromquelle zu einer Temperaturabnahme). Im ebenen eindimensionalen Fall heißt dies:

Mϑ ( x ) 1 Mϕ ( x) =− Mt c ρ Mx

(2.26)

Aus der Verknüpfung der beiden Gleichungen (2.23) und (2.26) geht die allgemeine Differentialgleichung für instationäre thermische Vorgänge ohne innere Wärmequellen (FOURIERsche Wärmeleitungsgleichung) im ebenen eindimensionalen Fall hervor:

Mϑ ( x, t) M2ϑ ( x, t) =a , Mt Mx 2

(2.27)

mit der „Temperaturleitfähigkeit“ [m²/s]

a=

λ cρ

(2.28)

Für die Analyse des instationären Vorgangs werden folgende Normierungen vorgenommen: • Für die Ortskoordinate (beginnend an der Wandinnenseite):

ξ=

x d

• Für die Zeitkoordinate 5: a τ = 2 ⋅t d • Für die Temperatur:

Θ=

ϑ − ϑa ϑ0 − ϑa

(2.29)

(2.30)

(2.31)

Durch Einsetzen der (abgeleiteten) Gleichungen (2.28 bis -31) in Gl. (2.27) ergibt sich die Differenzialgleichung

5

In der wissenschaftlichen Literatur wird dafür häufig die FOURIER-Zahl Fo = 4 τ benutzt.

2.3 Betriebsverhalten wärmetechnischer Anlagen

MΘ M 2 Θ = . Mτ Mξ 2

49

(2.32)

Durch Trennung der Variablen erhält man die allgemeine Lösung

Θ(ξ ,τ ) = M exp(− μ 2τ ) cos(μξ ) + N exp(−ν 2τ ) sin(νξ ) .

(2.33)

Wenn während des Abkühlvorgangs die Wandinnenseite als adiabatisch6 angenommen wird, d.h.

MΘ(0,τ ) =0, Mξ

(2.34)

so sind die Sinusglieder irrelevant, d.h. in Gl. (2.33) ist N = 0. Das örtliche Temperaturprofil setzt sich also nur aus cos-Gliedern zusammen, die im Zeitverlauf umso rascher abklingen, je größer ihr Eigenwert μj ist. Die Gesamtheit der Eigenwerte ist durch die stets gültige Randbedingung des Wärmeübergangs an der Außenoberfläche (ξ = 1) festgelegt:

ϕ=−

λ ∂Θ = αa Θ . d ∂ξ

(2.35)

Durch Einsetzen in Gl.(2.33) gelangt man zu folgender transzendenten Bestimmungsgleichung für die Eigenwerte:

μ Bi

= cot μ .

Hierin ist die sog. BIOT-Zahl α d Bi = a

λ

(2.36)

(2.37)

Abbildung 2.18 zeigt das geometrische Zustandekommen der unbeschränkten Folge von Lösungen der Eigenwertgleichung, Gl.(2.36). Damit lautet die vollständige Lösung der Differenzialgleichung:

6

Diese Annahme ist an folgende Voraussetzungen gebunden: • vernachlässigbar kleine Wärmespeicherfähigkeit im Ofeninneren. Dies trifft zu, wenn der Abkühlvorgang bei leerem Ofen, also ohne Erwärmungsgut betrachtet wird. • vernachlässigbar kleiner Wärmeaustrag durch innere Auskühlung infolge eines Austausches der Innenatmosphäre.

50

2 Deckung von Prozesswärmebedarf ∞

Θ(ξ ,τ ) = ∑ M j exp(− μ 2j τ ) cos(μ jξ ) ,

(2.38)

j =1

mit den aus der Anfangsbedingung

Θ (ξ ,0 ) = 1 −

ξ 1+

(2.39)

1 Bi

errechenbaren Konstanten

Mj =

2 tan μ j 1 ⋅ . 1 + Bi μ j + sin μ j cos μ j

0

(2.40)

B

5

2B

26053-B-05 26053-B-05

4

3

2 i

t co

t co

µ/B

t co

µ

µ

µ

1

0 0

1

2

µ1

3

µ2

4

5

6

Eigenwert μ

7

8

µ3

Abb. 2.18. Geometrische Darstellung der Eigenwertgleichung

Abbildung 2.19 zeigt, wie sich das Temperaturprofil in einer Wand aus dem stationären Zustand (τ = 0) heraus entwickelt. Der zugrundegelegte Wert von 5 für die BIOT-Zahl entspricht etwa einer 10 cm dicken Wand aus porösen Leichtbausteinen bei ruhender Außenluft. Der örtliche Verlauf ergibt sich aus der Superposition sämtlicher Einzelglieder nach Gl.(2.38). Infolge des raschen Abklingens der höheren Glieder erreicht das Temperaturprofil recht bald (ab etwa τ = 0,2) die charakteristische cos-Form. Die Randbedingung gemäß Gl.(2.35) tritt zu jeder Zeit als geometrische Bedingung für die Steigung des Temperaturprofils bei ξ = 1 in Erscheinung. Abbildung 2.20 zeigt die zeitlichen Verläufe der normierten Temperaturen an der Innenseite (ξ = 0) und an der Außenseite (ξ = 1) der Wand. Die

2.3 Betriebsverhalten wärmetechnischer Anlagen

51

Innentemperatur fällt zu Beginn des Abkühlvorgangs wesentlich steiler ab als später, da anfangs die höheren Glieder noch wirksam sind, die wegen des Exponentialterms in Gl. (2.35) rasch abklingen. Danach bleibt praktisch nur noch das erste Glied (j = 1) übrig. Die Außenwandtemperatur sinkt mit Verzögerung ab. Ihr Verlauf lässt sich durch die Übergangsfunktion eines Verzögerungsgliedes 2. Ordnung annähern. Die normierte Dauer der entsprechenden Totzeit

τ T,1 =

1

μ

2 1

⋅ ln

2sin μ1 μ1 + sin μ1 cos μ1

(2.41)

bewegt sich zwischen 0,10 und 0,17 (je nach der Größe der BIOT-Zahl). Danach mündet auch dieser Verlauf in das exponentielle Abklingen aufgrund des ersten Gliedes. 1

26403-A-05 26403-A-05

0

0,9

0,01 0,02

0,8 0,05

Normierte Differenztemperatur

0,7 0,1

0,6

0,2

0,5

0,4

0,3

Zeitpunkt: τ =

0,5

0,2

1

0,1 BIOT-Zahl: Bi = 5 0 0 innen

1

Normierter Ort

1/Bi außen

Abb. 2.19. Temperaturprofil in einer Ofenwand zu verschiedenen Zeitpunkten

52

2 Deckung von Prozesswärmebedarf

1 26404-A-05 26404-A-05

0,9

M1

Innenseite

Normierte Differenztemperatur

0,8

M1cosµ1 1 1 + Bi

BIOT-Zahl: Bi = 5

0,7 0,6 0,5 0,4

1. Glied 0,3

Totzeit 0,2 0,1

Außenseite 0 0

0,2

0,4

0,6

Zeitkonstante des 1. Gliedes

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

Normierte Zeit

Abb. 2.20. Temperaturverläufe einer Ofenwand beim Abkühlen aus dem stationären Zustand

Die normierte Zeitkonstante des ersten Gliedes,

τ K,1 =

1

(2.42)

μ12

ist an einer realen Anlage anhand eines Auskühlversuchs durch die Messung der Innen- oder der Außenübertemperatur zu zwei Zeitpunkten t1 und t2 näherungsweise bestimmbar:

τ K,1 ≈

a ⋅ d2

t2 − t1

. ⎛ ϑ (t1 ) − ϑa ⎞ ln ⎜ ⎟ ⎝ ϑ (t2 ) − ϑa ⎠ Bei einer solchen Ermittlung sollte darauf geachtet werden, dass

(2.43)

• der Zeitpunkt t1 um eine normierte Zeitspanne von mindestens 0,2 nach dem Auskühlbeginn liegt • beide Zeitpunkte in einem Bereich liegen, in dem die gemessene Temperatur noch deutlich höher ist als ihr stationärer Endwert ϑa • der Zeitpunkt t2 so weit vom Zeitpunkt t1 entfernt ist, dass die Differenz der gemessenen Temperaturen genügend groß ist gegenüber den Messunsicherheiten. Aus dem Abkühlverhalten einer Ofenwand lässt sich unter den getroffenen Voraussetzungen ein sehr einfacher Symmetrieschluss für deren

2.3 Betriebsverhalten wärmetechnischer Anlagen

53

Aufheizverhalten ziehen. Wird der Wand vom kalten Anfangszustand aus über ihre Innenseite eine konstante Leistung zugeführt, die gleich dem durchgehenden Wärmestrom im Beharrungszustand ist, so stellen sich die inversen Zeitverläufe der Temperaturen ein, wie Abb. 2.21 für die beiden Temperaturen an der Innen- und der Außenseite der Wand zeigt. 1

26405-A-05 26405-A-05

0,9 0,8 Normierte Differenztemperatur

Innenseite 0,7 0,6 0,5

BIOT-Zahl: Bi = 5

0,4 0,3 0,2

Außenseite

0,1 0 0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

Normierte Zeit

Abb. 2.21. Temperaturverläufe einer Ofenwand beim Aufheizen mit Leerbetriebsleistung aus dem kalten Zustand 2.3.4.2 Verhalten bei Betriebsunterbrechung

Die bisherigen Betrachtungen bezogen sich auf das Auskühlen einer Anlage aus dem stationären Beharrungszustand bis zum völligen Erkalten, sowie auf das Anheizen aus dem kalten Zustand bis zum Erreichen des stationären Beharrungszustandes. Die Gültigkeit dieser Betrachtung lässt sich in hinreichend guter Näherung auch auf Zwischenzustände ausweiten. Das ist deshalb wichtig, da das Wiederaufheizen oft schon beginnt, bevor die Anlage völlig erkaltet war. Von praktischer Bedeutung ist insbesondere der Fall einer längeren Produktionsunterbrechung, in der die Anlage auskühlt, z.B. über Nacht oder am Wochenende. Hier stellt sich meist die Aufgabe, die Anlage gegen Ende der Unterbrechungszeit durch Anheizen rechtzeitig wieder in den betriebsbereiten Zustand zu bringen. Abbildung 2.22 zeigt hierzu die Zeitverläufe der Wärmeströme an der

54

2 Deckung von Prozesswärmebedarf

Betriebsunterbrechung TU

innen

außen

Pi

Pa

Anheizen TAn Pi,An

Wärmefluss

26102-C-05 26102-C-05

Pi Pstat

Ersatztotzeit TT,1

TT,1

Pa

TAn

TT,1

0 Zeit

Abb. 2.22. Wärmeflüsse an einer Ofenwand bei Betriebsunterbrechung

Innenseite der Anlagenwand, Pi, und an der Außenseite, Pa. Für t < 0, also vor Beginn der Unterbrechung, seien die beiden Wärmeströme gleich groß und zeitlich unveränderlich (stationärer Zustand). Der Auskühlbeginn bei t = 0 sei dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmestrom Pi von der Innenseite in die Wand hinein schlagartig auf Null geht. Der Verlauf von Pa wird hier nicht durch ein Verzögerungsglied 2. Ordnung angenähert, sondern vereinfachend durch ein Verzögerungsglied 1. Ordnung in Verbindung mit einer Ersatztotzeit. Um diese Totzeit TT,1 versetzt, beginnt Pa mit der für die Wand typischen Zeitkonstante TK,1 abzuklingen. Ebenso verhält sich die Übertemperatur an der Außenseite der Wand. Die Dauer des Unterbrechungszeitraums sei TU. Damit die Anlage nach Ablauf dieser Zeitspanne wieder produktionsbereit ist, muss sie für eine gewisse Zeit TAn angeheizt werden. Dieses Anheizen am Ende der Unterbrechungszeit geschieht oft mit einer erhöhten Leistung, so dass ein gegenüber dem stationären Wärmestrom Pstat erhöhter Wärmestrom

Pi,An = FAn Pstat

(2.44)

in die Wand eintritt. Am Ende der Anheizzeit wird der Wärmestrom Pi schlagartig wieder auf den stationären Wert Pstat abgesenkt. Zu diesem Zeitpunkt, also genau am Ende der Betriebsunterbrechung, soll die Anlage wieder betriebsbereit sein. Die Anheizzeit, die dies gewährleistet, kann analytisch berechnet werden.

2.3 Betriebsverhalten wärmetechnischer Anlagen

55

Dazu wird der weitere Verlauf des Wärmestroms Pa an der Außenseite der Wand betrachtet. Der Beginn seines Wiederanstiegs ist um die Totzeit TT,1 verschoben gegenüber dem Anheizbeginn und vollzieht sich wieder mit der gleichen Zeitkonstante TK,1 wie beim Abkühlen, jedoch gegen einen um den „Anheizfaktor“ FAn erhöhten Beharrungswert Pi,An, s. Gl.(2.44). Nach der Anheizdauer erreicht Pa gerade den Wert Pstat. Es lässt sich zeigen, dass zu diesem Zeitpunkt innerhalb der Wand wieder die gleiche Energiemenge gespeichert ist wie im stationären Zustand 7. Unter den getroffenen Voraussetzungen ergibt sich für die erforderliche Anheizzeit folgende Beziehung (Rudolph 1985):

TAn = TK,1

⎡ ⎤ ⎢ ⎥ FAn ⎢ ⎥ ln ⎢ ⎛ ⎞⎥ ⎢ FAn − 1 + exp ⎜ − TU ⎟ ⎥ ⎜ T ⎟⎥ ⎢⎣ ⎝ K,1 ⎠ ⎦

(2.45)

Der Anteil der Anheizdauer an der jeweiligen Unterbrechungsdauer, also ⎛T ⎞ T der Quotient An = f ⎜⎜ U ; FAn ⎟⎟ , ist in Abb. 2.23 dargestellt. TU ⎝ TK,1 ⎠ Um die Anheizzeit zu ermitteln, müssen also folgende Größen bekannt sein: • die charakteristische Zeitkonstante TK,1, die nach Gl.(2.43) zu messen ist • die vorgegebene Unterbrechungsdauer TU • der Anheizfaktor FAn kann nach Gl.(2.44) errechnet werden, wenn die Anheizleistung und die stationäre Verlustleistung bekannt sind. Die Ersatztotzeit geht in die Berechnung nicht ein und braucht deshalb nicht bekannt zu sein! Bei einer brennstoffbeheizten Anlage, in der sich kein Erwärmungsgut befindet, ist der Zusammenhang zwischen dem in die Anlagenwände eintretenden Wärmestrom Pi und der zugeführten Leistung Pzu durch den feuerungstechnischen Wirkungsgrad ηf gegeben. Es gilt also für den stationären Leerbetrieb

Pstat = ηf,LB Pzu,LB

(2.46)

und für das Anheizen 7

Hierbei soll unberücksichtigt bleiben, dass das örtliche Temperaturprofil in der Wand noch nicht das gleiche ist wie im stationären Zustand.

56

2 Deckung von Prozesswärmebedarf

1

1,01

26035-B-05 26035-B-05

1,05 1,1

Zeitanteil des Anheizens an gesamter Unterbrechungsdauer

0,8

Anheizfaktor FAn =

1,25

0,6

1,5

0,4

2

3

0,2

5 10 0 0,1

1

10

100

Unterbrechungsdauer : Zeitkonstante

Abb. 2.23. Anteil der Anheizzeit an der Unterbrechungsdauer

Pi,An = ηf,An Pzu,An .

(2.47)

Es soll nun untersucht werden, wie sich bei einer Anlage, die während einer Unterbrechung abgeschaltet und wieder angeheizt wird, der Energieverbrauch verringert gegenüber dem Fall, dass die Anlage während der Dauer der Betriebsunterbrechung im stationären Zustand leer weiterbetrieben würde. Der entsprechende Quotient

FU =

Pzu,An TAn Pzu,LB TU

=

η f,LB T FAn An ηf,An TU

(2.48)

hängt wiederum vom Verhältnis TU/TK,1 sowie vom Anheizfaktor ab. Dies ist in Abb. 2.24 gezeigt unter der Annahme, dass der feuerungstechnische Wirkungsgrad beim Anheizen der gleiche ist wie im stationären Leerbetrieb.

2.4

Energetische Analyse von Betriebszeiträumen

Um einen rationellen Energieeinsatz für eine gegebene Produktionsaufgabe ! unter Berücksichtigung der in der betrieblichen Praxis herrschenden Randbedingungen (z.B. hinsichtlich Fertigungstechnik und Betriebsorganisation) ! zu erreichen, muss berücksichtigt werden, dass das reale Betriebsgeschehen an einer einzelnen Anlage sich aus einer Abfolge von vielerlei

2.4 Energetische Analyse von Betriebszeiträumen 1

57

1,01

26036-B-05 26036-B-05

1,05

Reduzierter Energiebedarf (normiert)

1,1 0,8

1,25 1,5 2 3 5 Anheizfaktor FAn = 10

0,6

0,4

0,2

0 0,1

1

10

100

Unterbrechungsdauer : Zeitkonstante

Abb. 2.24. Reduktion des Energiebedarfs durch Abschalten in einer Betriebsunterbrechung

Zuständen zusammensetzt, die zum Teil instationär sind. Zur allgemeinen Beschreibung des realen Betriebsgeschehens an einer wärmetechnischen Anlage sind eine Reihe von Vereinfachungen notwendig. Das betrifft zum einen die Analyse des instationären Betriebsverhaltens und daraus folgende Näherungen bei den verwendeten Modellen (s. Kap. 2.3.4), zum anderen aber auch die generelle Klassifizierung von Betriebszuständen und ihre zeitliche Rangierung. Für die Zwecke einer quantitativen Analyse wird von Begriffen und Zusammenhängen Gebrauch gemacht, die ursprünglich für den elektrizitätswirtschaftlichen Bereich aufgestellt wurden (VDEW 1990). Sie lassen sich auch für Belange der Energieanwendungstechnik verwenden. 2.4.1

Charakteristische Zeitabschnitte

Es werde der Energieverbrauch einer wärmetechnischen Anlage über einen Betrachtungszeitraum TGes untersucht. Dieser Zeitraum ist normalerweise kalendarisch bzw. betriebsorganisatorisch bestimmt. Er umfasst z.B. einen Bearbeitungszyklus, die Dauer einer Arbeitsschicht, einen Tag, eine Woche, einen Monat, ein Quartal oder ein Jahr.

58

2 Deckung von Prozesswärmebedarf

Der Betrachtungszeitraum lässt sich in folgender Weise zeitlich untergliedern:

TGes = TH + TLB + TU

(2.49)

Dabei ist: TH = Σ TH,i

die Summe aller Hauptnutzungszeiten. Diese sind dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage im Sinne ihrer Zweckbestimmung betrieben wird, dass sich also Erwärmungsgut in der Anlage befindet;

TLB = Σ TLB,i

die Summe aller Leerbetriebszeiten. Darunter sind alle Zeiten außerhalb der Hauptnutzungszeiten zu verstehen, in denen die Anlage durch Warmhalten in sofortiger Betriebsbereitschaft gehalten wird. Darunter fallen meist die Zeiten für die Beschickung der Anlage und sonstige "Nebennutzungen", für ablaufbedingte und z.T. auch für störungsbedingte Nutzungsunterbrechungen sowie Bereitschaftszeiten;

TU = Σ TU,i

die Summe aller Unterbrechungszeiten, das sind alle Zeiten außerhalb der Betriebszeiten. Dabei handelt es sich z.B. um die Nachtzeit zwischen den Arbeitsschichten bei Einschichtoder Zweischichtbetrieb, sowie um die Wochenenden. In Unterbrechungszeiten kühlt die Anlage aus und wird vor Beginn des nächsten Einsatzes wieder angeheizt. Die Anheizvorgänge liegen also nach dieser Definition innerhalb der Unterbrechungszeiten (vgl. Kap. 2.3.4).

Meist setzt sich der Betrachtungszeitraum aus einer Folge i = 1… n einzelner Teilabschnitte von Hauptnutzung, Leerbetrieb und Unterbrechung zusammen. Hauptnutzungs- und Leerbetriebszeiten lassen sich zur Betriebszeitspanne zusammenfassen:

TB = TH + TLB

(2.51)

Die durch die Anlage im Betrachtungszeitraum (genauer: in den Hauptnutzungszeiten) gefertigte Produktmenge wird mit mGes bezeichnet. (Bei thermischen Trocknungsprozessen bezeichnet mGes die Menge des insgesamt entfernten Wassers oder Lösungsmittels). Vorauszusetzen ist meistens Gleichartigkeit hinsichtlich der Produktionsweise (z.B. Erwärmungstemperatur) und hinsichtlich der Art des Produktes (z.B. Material).

2.4 Energetische Analyse von Betriebszeiträumen

59

Das maximale Fertigungsvermögen der Anlage im Nennbetrieb wird wie in Kap. 2.3.3 mit mN bezeichnet. 2.4.2

Kenngrößen für die Auslastung

Mit Hilfe der vorgenannten Begriffe lassen sich folgende den Betrieb der Anlage charakterisierende Auslastungs-Kenngrößen definieren: • Die Leistungsausnutzung

nP =

1 TH

mGes H mN

∫ l dt = T

TH

(2.51)

ist das Verhältnis der von der Anlage gefertigten Produktmenge zu der Menge, die bei ständigem Nennbetrieb in der Hauptnutzungszeit hätte gefertigt werden können. Die Leistungsausnutzung gibt also den mittleren Lastgrad der Anlage während der Hauptnutzungszeit an. • Die Arbeitsausnutzung

nA =

1 TGes

mGes Ges mN

∫ l dt = T

TH

(2.52)

ist das Verhältnis der von der Anlage gefertigten Produktmenge zu der Menge, die bei ständigem Nennbetrieb in der gesamten Betrachtungszeit hätte gefertigt werden können. Die Arbeitsausnutzung gibt also die integrale Auslastung der Anlage bezogen auf die Betrachtungszeit an. • Die Zeitausnutzung

TH (2.53) TGes ist der Anteil der Hauptnutzungszeit an der gesamten Betrachtungszeit. nT =

Zwischen diesen drei Ausnutzungsgrößen besteht folgender Zusammenhang:

nA = nP nT .

(2.54)

Außerdem lässt sich eine Betriebsausnutzung

nB =

TB T + TLB = H TGes TGes

definieren, als Verhältnis aus Betriebszeit und Betrachtungszeit.

(2.55)

60

2 Deckung von Prozesswärmebedarf

2.4.3

Bestandteile des Energieverbrauchs

Während der Hauptnutzungszeiten wird ein quasistationärer Zustand angenommen; es sollen also keine nennenswerten Änderungen bei den Energien auftreten, die in den Anlagenbauteilen gespeichert sind. Unter dieser Voraussetzung lässt sich der Energieverbrauch Ezu,H der Anlage mit Hilfe der stationären Betriebskennlinie beschreiben:

Ezu,H =

∫P

zu

TH

dt = ⎡⎣ Pzu,LB + ( Pzu,N − Pzu,LB ) nP ⎤⎦ TH .

(2.56)

Hier entspricht also die Leistungsausnutzung dem Lastgrad in Gl.(2.13). In der Leerbetriebszeit verbraucht die Anlage die Energie

Ezu,LB = Pzu,LB TLB .

(2.57)

Jeder Abschnitt TU,i der Unterbrechungszeit ist dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage erst auskühlt und dann wieder aufgeheizt wird, so dass sie am Ende der Unterbrechung betriebsbereit ist (siehe Kap. 2.3.4). Für das Anheizen am Ende eines Unterbrechungszeitabschnittes ergibt sich der Energieverbrauch somit zu

Ezu,U,i = Pzu,An TAn,i = FU,i Pzu,LB TU,i .

(2.58)

Über die Gesamtheit aller Unterbrechungszeiten summiert sich der Energieverbrauch zu

Ezu,U = ∑ Ezu,U,i = Pzu,LB ∑ FU,i TU,i = FU Pzu,LB TU . i

(2.59)

i

Der mittlere Faktor FU ergibt sich aus der zeitanteiligen Gewichtung der Einzelwerte. Der Energieverbrauch der Anlage im gesamten Betrachtungszeitraum setzt sich aus den drei genannten Anteilen zusammen:

Ezu,Ges = Ezu,H + Ezu,LB + Ezu,U . 2.4.4

(2.60)

Betriebstechnische Kennlinienfelder

Bezieht man den gesamten Energieverbrauch auf die Dauer des gesamten Betrachtungszeitraums, so erhält man die mittlere Leistungsaufnahme:

2.4 Energetische Analyse von Betriebszeiträumen

Ezu,Ges TGes

= Pzu,LB ⎡⎣ FU (1 − nB ) + nB ⎤⎦ + ( Pzu,N − Pzu,LB ) nA .

61

(2.61)

Dargestellt über der Arbeitsausnutzung nA als unabhängige Variable, liegen die möglichen Werte in einem Kennfeldbereich, wie in Abb. 2.25 dargestellt. Die Arbeitsausnutzung nA entspricht dem Parameter der Anlagenauslastung l im stationären Fall. Die Betriebsausnutzung nB ist als Parameter eingetragen. Auf einer Linie konstanter Betriebsausnutzung bewegt man sich bei gleichbleibendem Anteil der Unterbrechungszeiten an der Gesamtzeit. Dabei spielt es für den Energieverbrauch keine Rolle, wie sich die Betriebszeit auf Hauptnutzungsund Leerbetriebszeit aufteilt, oder wie hoch die Leistungsausnutzung während der Hauptnutzungszeit ist. Hat die Betriebsausnutzung den Wert Eins, so bedeutet das nach Gln.(2.55 und 2.50), dass die Anlage über den gesamten Betrachtungszeitraum warm gehalten wird. Dies führt zum größtmöglichen Energieverbrauch bei einer gegebenen Produktionsmenge:

⎛ Ezu,Ges ⎞ = Pzu,LB + ( Pzu,N − Pzu,LB ) nA . ⎜ ⎟ ⎝ TGes ⎠nB =1

(2.62)

Diese Kennlinie ist identisch mit der stationären Betriebskennlinie über der Anlagenauslastung l. Sie stellt die obere Begrenzung des Betriebskennfeldes dar. Der kleinstmögliche Energieverbrauch tritt dagegen dann auf, wenn der Betrachtungszeitraum keine Leerbetriebszeiten enthält (TLB = 0) und außerdem die Produktion mit maximaler Anlagenauslastung (nP = 1) durchgeführt wird. Nach Gln. (2.50, 2.53, 2.54 und 2.55) bedeutet das, dass Betriebsausnutzung und Arbeitsausnutzung gleich groß sind. Der auf die Hauptnutzungszeit entfallende Energieverbrauch ist unter dieser Voraussetzung proportional zur Arbeitsausnutzung:

⎛ Ezu,H ⎞ = Pzu,N nA . ⎜ ⎟ ⎝ TGes ⎠ nB = nA

(2.63)

Der auf die Unterbrechungszeit entfallende Energieverbrauch für das Anheizen der Anlage,

62

2 Deckung von Prozesswärmebedarf

⎛ Ezu,U ⎞ = Pzu,LB FU (1 − nA ) , ⎜ ⎟ ⎝ TGes ⎠ nB = nA

(2.64)

ist in nichtlinearer Weise von der Arbeitsausnutzung abhängig. Das hat seinen Grund darin, dass der Faktor FU wegen seiner Abhängigkeit von der Länge der Unterbrechungszeitabschnitte nicht mehr konstant ist, sondern sich mit der Betriebsausnutzung nB ändert. Dementsprechend ist die untere Begrenzungslinie des möglichen Betriebsbereiches keine Gerade, sondern gewölbt. Der (energetische) Nutzungsgrad der Anlage ergibt sich als Quotient von Aktivenergie zu verbrauchter Energie im Betrachtungszeitraum:

ζ =

EA,Ges Ezu,Ges

.

(2.65)

Analog zum Wirkungsgrad drückt also auch der Nutzungsgrad das Verhältnis von Nutzen zu Aufwand aus, jedoch nicht für einen Momentanzustand, sondern über den Betrachtungszeitraum TGes. Setzt man 1

Normierte mittlere Leistungsaufnahme

26057-A-98 26057-A-98

nB = 0

Pzu,LB / Pzu,N

1 8 0, ,6

4 0,

nB = nA

2 0,

FU·Pzu,LB / Pzu,N

0 0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

Arbeitsausnutzung n A

Abb. 2.25. Betriebstechnisches Kennfeld einer wärmetechnischen Anlage

2.4 Energetische Analyse von Betriebszeiträumen

63

auch hier den Nennwirkungsgrad ηN beim stationären Lastgrad von Eins als Referenzgröße an, so erhält man für den Nutzungsgrad:

ζ =

P 1 + zu,LB Pzu,N

1 ηN . ⎡ nB + FU (1 − nB ) ⎤ − 1⎥ ⎢ nA ⎣ ⎦

(2.66)

Man beachte die Analogie zu Gl. (2.17)! Dass der Nutzungsgrad über einen Betrachtungszeitraum mindestens gleich oder größer als der Wirkungsgrad im stationären Zustand ist, mag zunächst überraschen. Der Grund dafür liegt in der Äquivalenz der beiden Parameter Arbeitsausnutzung nA und Anlagenauslastung l bei diesem Vergleich. Daher stellt in Abb. 2.25 die stationäre Betriebskennlinie die obere Begrenzung des Betriebskennfeldes dar. Ebenso wie für den stationären Zustand lässt sich auch für Betriebszeiträume der spezifische Energieverbrauch definieren:

eGes =

Ezu,Ges mGes

.

(2.67)

Setzt man diese Größe wieder ! analog Gl. (2.19) ! in Bezug zum spezifischen Energieverbrauch bei einem Lastgrad von Eins, so erhält man

⎡ P ⎛ n + FU (1 − nB ) ⎞⎤ eGes = ⎢1 + zu,LB ⎜ B − 1 ⎟ ⎥ eN . Pzu,N ⎝ nA ⎢⎣ ⎠ ⎥⎦

(2.68)

Wie in Gl. (2.20) gilt auch hier wieder der grundsätzliche Zusammenhang zwischen Effizienz und spezifischem Energieverbrauch:

eGes ζ = ΔhA .

(2.69)

3

Raumheizung und Klimatisierung

3.1

Bedeutung und Struktur der Raumwärme

Der große energiewirtschaftliche Stellenwert der Raumheizwärme wird daraus deutlich, dass auf sie rd. ein Drittel des gesamten Endenergieverbrauchs in Deutschland entfällt, vgl. Abb. 1.3. Dies ist der größte einheitliche Bedarfsposten, wenn man den Bedarf an mechanischer Energie für mobile und für stationäre Anwendungen getrennt betrachtet. Die zeitliche Entwicklung des Endenergieverbrauchs für Wohnungsbeheizung nach Energieträgern ist in Abb. 3.1 am Beispiel der Jahre 1975 (nach der ersten Ölkrise), 1989 (vor der Wiedervereinigung) sowie 2003 dargestellt. Heizöl und Strom haben sich in ihrem Umfang wenig verändert, dagegen verzeichneten Gas und Fernwärme auf unterschiedlichem Niveau jeweils einen starken Zuwachs. Der Einsatz fester Brennstoffe, also Kohle, Koks und Holz, ist im ersten Zeitintervall stark zurückgegangen. Der seit 1990 wieder größere Umfang des Einsatzes fester Brennstoffe ist auf die andersartigen Beheizungsstrukturen in den neuen Bundesländern zurückzuführen. 2500 26-448-A-05 26-448-A-05

Strom

Endenergieverbrauch in PJ

2000

Fernwärme 1500

Gas 1000

Heizöl 500

Feste Brennstoffe 0 1975

1989

2003

Jahr

Abb. 3.1. Endenergieverbrauch für Wohnungsbeheizung nach Energieträgern

Dass der Gesamtverbrauch im Jahre 2003 wesentlich höher liegt als noch 1989, hat seinen Grund in der Erweiterung durch die neuen Bundesländer.

66

3 Raumheizung und Klimatisierung

Abbildung 3.2 zeigt, dass verglichen mit dem Jahr vor der Wiedervereinigung, sich der Gesamtverbrauch etwa um die Hälfte erhöht hat. Jedoch hat sich der mittlere Verbrauch je Wohneinheit seit 1975 in einer recht engen Bandbreite von ± 3 % bewegt. Bezogen auf 1 m² Wohnfläche ging der Verbrauch zwischen 1975 und 1989 um mehr als ein Viertel zurück, um danach wieder leicht anzuwachsen. Entsprechend uneinheitlich ist die Entwicklung der mittleren Wohnfläche: Während sie in den alten Bundesländern beträchtlich zunahm, wirkte der hinzukommende Wohnungsbestand in den neuen Bundesländern gegenläufig. Waren 1975 noch fast die Hälfte der Wohnungen mit Einzelofenheizung ausgerüstet, so ging dieser Anteil bis 2003 auf weniger als 10 % zurück. 140%

26-449-A-05 26-449-A-05

130% 120% 110%

EEV je WoE; 2002 = 100 %

EEV je m²; 2002 = 100 % Mittl. Wohnfläche; 2002 = 100 %

100% 90%

Endenergieverbrauch (EEV); 2002 = 100 % 80%

Bestandsanteil Zentralheizung

70% 60% 50% 40% 1975

1980

1985

1990

1995

2000

2005

Jahr

Abb. 3.2. Entwicklung einiger Strukturdaten für die Wohnungsbeheizung

Für das Verständnis dieser Entwicklungen sind folgende Punkte wichtig: 1. Der Übergang von der Einzelofenheizung auf die Zentralheizung wirkt sich zunächst verbrauchserhöhend aus. Die Ergebnisse einer Studie (Tzscheutschler, 2004) weisen aus, dass bei gleicher Gebäudeart und gleichem Brennstoff der spezifische Verbrauch je m² Wohnfläche bei Zentralheizungen im Durchschnitt um 20 % höher ist, da hierbei normalerweise die ganze Wohnung beheizt wird (Vollraumheizung), wogegen bei der Einzelofenheizung häufig einzelne Räume unbeheizt bleiben. 2. Die Ansprüche der Bewohner im Hinblick auf die gewünschte Raumlufttemperatur haben sich erheblich erhöht. Dies gilt zum einen für das Niveau der Temperatur, zum anderen aber auch für die Konstanz sowohl über den Tag als auch über das Jahr hinweg. Letzteres hat zur Folge, dass

3.1 Bedeutung und Struktur der Raumwärme

67

sich die Betriebszeiten der Heizungsanlagen beträchtlich verlängert haben. Vielfach wird heute auch in kühleren Witterungsperioden während des Sommers geheizt. 3. Die unter 2. aufgeführten Trends wurden nur möglich durch den hohen Bedienungskomfort moderner Heizanlagen. Auf der anderen Seite ist die technische Entwicklung der Wärmeerzeuger mit einer ständigen Steigerung der Wirkungsgrade verbunden. So ist bei der Erneuerung eines 12 bis 15 Jahre alten Heizkessels mit einem Rückgang des Verbrauchs unter sonst unveränderten Bedingungen von im Mittel etwa 10 % zu rechnen (Geiger, 2001). Gleichzeitig haben sich auch Möglichkeiten zur Verbrauchsreduzierung eröffnet, da mit den heutigen Einrichtungen zur Steuerung und Regelung der Heizanlagen ein Überheizen von Räumen weitgehend vermieden werden kann. Zudem ist auch ein bewusst sparsames Heizen leichter möglich. 4. In Richtung einer Reduzierung des Wärmebedarfs für die Raumheizung wirken die Maßnahmen zur besseren Wärmedämmung von Gebäuden. Das betrifft nicht nur die Neubauten, sondern auch den Gebäudebestand. Unterstützt und vorangetrieben wird dieser Trend von gesetzlicher Seite durch zunehmend anspruchsvollere Wärmeschutzverordnungen. 5. Der Gebäudebestand in den Neuen Bundesländern war zum Zeitpunkt der Wiedervereinigung sowohl vom Wärmeschutz als auch von der heizungstechnischen Ausstattung her weitaus schlechter gestellt. Trotz aller Modernisierungsbemühungen in den vergangenen 15 Jahren haben sich die Verhältnisse noch nicht an das Niveau der alten Bundesländer angeglichen. Einen Überblick über die strukturellen Zusammenhänge zwischen Beheizungsart und Gebäudeart gibt Abb. 3.3 (Tzscheutschler, 2004). Die erdgasgefeuerte Zentralheizung dominiert sowohl in Ein- als auch in Mehrfamilienhäusern gegenüber der Ölzentralheizung, in Zweifamilienhäusern ist sie praktisch gleichauf. Die Ölzentralheizung hat ihren Einsatzschwerpunkt eindeutig im Einfamilienhausbereich. Dagegen kommt die Fernwärmeversorgung bei Ein- und Zweifamilienhäusern fast nicht vor. Da die Einzelheizungen insgesamt einen geringen Verbrauchsanteil haben, sind sie in der Darstellung nicht weiter aufgeschlüsselt. Gaseinzelöfen spielen in Ein- und Zweifamilienhäusern nur eine untergeordnete Rolle, sind aber in Mehrfamilienhäusern relativ stark vertreten. Genau umgekehrt verhält es sich mit Öleinzelöfen. Der Strom für Elektrospeicherheizungen macht ungefähr ein Drittel des gesamten Energieverbrauchs in Einzelheizungen aus und verteilt sich gleichmäßig auf alle Gebäudearten.

68

3 Raumheizung und Klimatisierung

26-450A-05 26-450-A-05

140

Energieverbrauch in TWh

120

100

80 60 40 20

EFH ZFH

0 Erdgas

Heizöl

Zentralh eizung

MFH Fernwärme Einzelhzg.

Abb. 3.3. Endenergieverbrauch für die Wohnungsbeheizung (Deutschland, 2002)

3.2

Thermische Behaglichkeit 8

In Wohn- und Arbeitsräumen sollten äußere Bedingungen herrschen, die von den sich darin aufhaltenden Menschen als behaglich empfunden werden. Was als behaglich empfunden wird, ist naturgemäß stark abhängig von der subjektiven Wahrnehmung des Individuums. Dennoch lassen sich ! ausgehend von der Physiologie des Menschen in Verbindung mit Erfahrungswerten ! bestimmte unerlässliche Voraussetzungen für die Behaglichkeit angeben, die sich nach dem Kriterium der Sensorik einteilen lassen: • • • •

thermisch lufthygienisch optisch akustisch

Die zentrale Aufgabe der Raumheizung bzw. -klimatisierung besteht im Herstellen und Aufrechterhalten thermisch behaglicher sowie lufthygienisch einwandfreier Zustände.

8

Einzelne Passagen entnommen aus (Rouvel, 1978)

3.2 Thermische Behaglichkeit

69

Die thermische Behaglichkeit hängt vom augenblicklichen Wärmehaushalt des Körpers ab, der von der Art der Tätigkeit, der Bekleidung und dem Zustand der Umgebung bestimmt wird. Die Wärmeabgabe erfolgt durch • • • • •

Konvektion an die Umgebungsluft, Wärmeleitung an berührenden Flächen, Wärmestrahlung an Umgebungsflächen, Atmungsluft (fühlbar und latent), Verdunstung von Wasser an der Haut (Transpiration).

In Abb. 3.4 ist die Wärmeabgabe eines normal bekleideten Menschen bei sitzender, leichter Beschäftigung wiedergegeben (Eickenhorst, 1998). Im klimatechnisch wichtigen Bereich zwischen 20 und 30 EC bleibt die Wärmeabgabe insgesamt annähernd konstant. Der Latentanteil infolge Verdunstung (in erster Linie über die Hautoberfläche) nimmt mit steigender Temperatur stark zu. Die Abgabe fühlbarer Wärme teilt sich etwa hälftig auf die beiden Hauptposten Strahlung und Konvektion auf, beeinflusst durch die Emissionsgrade von Bekleidung und Wänden sowie die Luftbewegung. Ab etwa 34 °C Umgebungstemperatur findet überhaupt keine fühlbare Wärmeabgabe mehr statt. Mit der Intensität körperlicher Tätigkeit steigt die Wärmeabgabe (hauptsächlich in latenter Form) stark an. 160 26-458-A-05 26-458-A-05

140

gesamt

Wärmeabgabe in W

120

100

80

fühlbar 60

40

20

latent

0 10

15

20

25

30

Lufttemperatur in °C

Abb. 3.4. Wärmeabgabe des Menschen (normal bekleidet, sitzende Bürotätigkeit)

70

3 Raumheizung und Klimatisierung

Wesentliche Bestandteile des Raumklimas sind also: 1. die Lufttemperatur und ihre örtliche und zeitliche Verteilung, 2. die Temperatur der Raumumschließungsflächen und der Innenausstattung sowie der Einstrahlwinkel der einzelnen Flächen, 3. die Luftfeuchte sowie 4. die Luftgeschwindigkeit und die Anströmrichtung. Diese Größen wirken abhängig voneinander auf das Behaglichkeitsempfinden ein. Sie beeinflussen sich gegenseitig entsprechend der jeweils optimalen Aufteilung der Entwärmung des menschlichen Körpers. Zu einer bestimmten Lufttemperatur sind daher bestimmte Wandtemperaturen, Feuchtewerte und Luftgeschwindigkeiten erforderlich, um ein Behaglichkeitsgefühl zu erreichen. In der Praxis versucht man, diese Zusammenhänge durch die Aufstellung von Behaglichkeitsfeldern aufzuzeigen, wobei man bestimmte Wertepaare bei Konstanz der anderen Parameter stufenweise verändert und durch die Befragung einer Vielzahl von Personen eine repräsentative Aussage zu erreichen trachtet. Der Zusammenhang zwischen der Lufttemperatur und der Temperatur der Raumschließungsflächen ist entscheidend für die empfundene Temperatur. Diese Größe wird als Raumtemperatur ϑR , oder auch (in diversen Normen) als Operative Temperatur bezeichnet. Ihr Wert bestimmt sich ! normale Bekleidung und nicht zu große Luftbewegung (< 0,2 m/s) vorausgesetzt ! näherungsweise als arithmetisches Mittel aus der Temperatur der Raumluft, ϑL , und der mittleren Temperatur der Raumumschließungsflächen, ϑU :

ϑR =

ϑL + ϑU 2

(3.1)

In Abb. 3.5 ist das Feld der überwiegend als behaglich empfundenen Temperatur über der Raumlufttemperatur und der Temperatur der Raumumschließungsflächen eingezeichnet. Die strichpunktierte Diagonale trennt dabei die beiden Bereiche vorwiegend konvektiver bzw. strahlungsorientierter Wärmeabgabe. Wie sich aus der Darstellung zeigt, kann eine niedrige Lufttemperatur bis zu einem gewissen Grad ausgeglichen werden durch eine höhere Wandtemperatur und umgekehrt. Dies gilt jedoch nur begrenzt. Als physiologisch günstiger wird meist ein leichtes Übergewicht des Strahlungsanteils angesehen. In Innenräumen wird eine Luftbewegung mit Strömungsgeschwindigkeiten über 0,5 m/s fast durchweg als unangenehm empfunden. Zwischen 0,1 und 0,5 m/s steigt mit der Strömungsgeschwindigkeit die mindestens er-

3.2 Thermische Behaglichkeit

71

30 26-459-A-05 26-459-A-05

27

23

19

Raumtemperatur

°C

°C

°C

20 15 °C

Oberflächentemperatur in °C

25

15 St

un hl ra

g

ü

rw be

on K

gt ie

io kt ve

n

ü

rw be

gt ie

10 10

15

20

25

30

Lufttemperatur in °C

Abb. 3.5. Behaglichkeitsfeld der Temperaturen von Luft und Raumumschließungsflächen

forderliche Lufttemperatur, damit nicht der unangenehme Eindruck von Zugluft aufkommt. Dabei wird eine Anströmung von vorne eher toleriert als von der Seite oder von hinten. Grundsätzlich sollen die Ausblasöffnungen von Heiz- und Kühlgeräten immer so weit von der Aufenthaltszone entfernt sein, dass eine Mischung und Beruhigung der Luft möglich ist. Hinsichtlich der relativen Luftfeuchte wird vom Menschen eine recht große Spanne als behaglich toleriert. Zwischen rund 35 und rund 70 % relativer Luftfeuchte bei 20 EC Lufttemperatur und leichter Tätigkeit werden subjektiv kaum Unterschiede spürbar. Innerhalb dieser Grenzen wird die Behaglichkeit praktisch nicht beeinflusst. Trockene, auch sehr trockene Luft, wie z.B. in der Sauna, wird im allgemeinen nicht als unbehaglich empfunden. Allerdings kann bei trockener Luft und hoher Lufttemperatur eine Schleimhautaustrocknung hervorgerufen werden. Treten dagegen in beheizten Räumen Schleimhautreizungen auf, sind sie meist nicht auf zu trockene Luft, sondern eher auf einen zu hohen Staubgehalt zurückzuführen. Zu hohe Luftfeuchte in beheizten Räumen hat den Nachteil, dass an kalten Wänden und Gegenständen Schwitzwasserbildung auftritt, da die Taupunkttemperatur nur wenig unter der Raumlufttemperatur liegt.

72

3 Raumheizung und Klimatisierung

Durch die Raumheizung werden die Lufttemperaturen sowie die Temperaturen der Raumumschließungsflächen und der im Raum befindlichen Gegenstände angehoben. Die sich dabei einstellenden relativen Feuchten sind ausschließlich vom Zustand der Außenluft abhängig und können durch die Heizung direkt nicht beeinflusst werden. Dagegen hängen die Luftgeschwindigkeiten im beheizten Raum ab von der Art des Heizsystems und der Art und Position der wärmeabgebenden Heizkörper. Bei der Klimatisierung geht es dagegen um die Herstellung und Erhaltung bestimmter Luftzustände. Dabei werden vornehmlich die Lufttemperatur, die relative Luftfeuchte und die Luftgeschwindigkeit verändert.

3.3

Wärmebedarf und Energiehaushalt von Gebäuden

3.3.1

Grundbegriffe

Der Heizwärmebedarf wird in seinem tages- und jahreszeitlichen Verlauf vor allem von den meteorologischen Größen, von der Art, Größe und Bauweise des Gebäudes, von der Art, Auslegung und Betriebsweise der Heizanlage sowie vom Verhalten der Gebäudebenutzer bestimmt. Der Energiehaushalt für die Beheizung eines Gebäudes ist qualitativ in Abb. 3.6 in Form eines Flussbildes dargestellt. Es handelt sich dabei nicht um die Beschreibung eines momentanen Zustandes, sondern um die Zusammenfassung der Energieflüsse über einen längeren Zeitraum, z.B. ein Jahr. Auf der rechten Seite sind die Wärmeverluste, auf der linken Seite die Herkunft der Wärme dargestellt. Die Wärmeverluste des Gebäudes setzen sich zusammen • aus dem Wärmedurchgang durch sämtliche Gebäudeumschließungsflächen (also Außenwände, Fenster, Dach und Keller); diesen Teil bezeichnet man als Transmissionswärmeverlust, • aus dem Wärmeverlust durch Luftaustausch über Fensterfugen, Türspalte sowie durch gezielte Lüftung. Die Transmissionswärmeverluste werden vom Wärmedurchlasswiderstand bzw. seinem Kehrwert, dem Wärmedurchgangskoeffizienten der Gebäudeumschließungsflächen, bestimmt. Zusätzliche Wärmedämmung senkt den Heizenergiebedarf. Da die Energiegewinne aus der Sonneneinstrahlung und aus den inneren Wärmequellen dabei weitgehend unverändert bleiben, wird deren Deckungsanteil mit steigender Wärmedämmung größer.

3.5 Heizungsanlagen

73

Wärmespeicherung in raumumschließenden Bauteilen Solare Wärmegewinne

Abgasverlust Transmission Dach

Nicht nutzbarer äußerer Wärmeeintrag Außenwand

Lüftung Transmission Fenster

Reflexion Fenster Innere Wärmequellen: - Beleuchtung - elektr. Geräte - Personen

Transmission Außenwand

Transmission Keller

Heizwärmebedarf 26538-A-08

Verlust bei Wärmeerzeugung und -verteilung

Energieeinsatz: Öl, Gas, Fernwärme, Strom, feste Brennstoffe

Abb. 3.6. Energiehaushalt eines beheizten Gebäudes (qualitativ)

Je mehr die Transmissionswärmeverluste verringert werden, desto größeres Gewicht kommt den Lüftungswärmeverlusten zu, besonders bei unsachgemäßen Lüftungsgewohnheiten, die häufig anzutreffen sind. In Zukunft werden Systeme für die kontrollierte Führung von Zu- und Abluft wachsende Bedeutung erlangen, zumal damit neue Möglichkeiten der Wärmerückgewinnung erschlossen werden. Dies wird z.B. in Schweden ! wo der Wärmeschutzstandard schon seit jeher höher ist als in Deutschland ! auch in Ein- und Zweifamilienhäusern angewendet. Ein weiterer Bilanzposten geht als Speicherwärme in die verschiedenen Bauteile des Gebäudes. Dieser Posten erscheint in gleicher Größe, jedoch zu anderen Zeiten wieder als Entspeicherung, tritt also erst mit zeitlicher Verzögerung als Energiestrom nach außen.

74

3 Raumheizung und Klimatisierung

Die Wärmespeicherfähigkeit von Gebäudeteilen ist für den Energiehaushalt des Gebäudes von erheblicher Bedeutung, denn sie wirkt dämpfend und verzögernd auf Temperaturschwankungen, die z.B. durch eingestrahlte Sonnenenergie, freie Wärmequellen im Haus, Fensterlüftung und ungenügend geregelte Heizwärmeabgabe entstehen können. Die Energie zur Deckung der Wärmeverluste stammt • zum überwiegenden Teil von der Heizanlage, • zu einem weiteren Teil aus inneren Wärmequellen wie Haushaltsgeräten, Beleuchtung und nicht zuletzt den Bewohnern selbst, • zu einem nicht unbeträchtlichen Anteil aus zugestrahlter Sonnenenergie (passive Solarenergienutzung). Die Sonneneinstrahlung auf die Außenwände des Gebäudes wird zum Teil reflektiert, der Rest wird absorbiert und in fühlbare Wärme umgewandelt. Davon wird der größte Anteil über Wärmestrahlung und Konvektion direkt wieder an die Umgebung abgegeben, nur maximal 10 % gelangen durch Wärmeleitung ins Innere des Gebäudes. Wesentlich anders sehen die Relationen beim Fenster aus. Hier kommen typischerweise etwa 50 bis 70 % der Einstrahlung in den Raum und werden dort thermisch wirksam. Das Fenster mit dem dahinter liegenden Raum ist also ein Sonnenkollektor, dessen Nutzungsgrad recht hoch sein kann. Eine wichtige Ergänzung zu den Wärmeschutzmaßnahmen bildet daher die passive Solarenergienutzung in Form einer geeigneten Gebäudegestaltung und -ausführung. Im Winter und in der Übergangszeit sollen die Heizung und ihre Regelung, in Verbindung mit dem Speicherverhalten des Gebäudes, in der Lage sein, die entstehende freie Wärme weitgehend nutzbar zu machen. Die auf diese Weise erreichbare Verminderung des Heizwärmebedarfs hängt von der Fassadengestaltung und der Verglasungsart ab. Fensterflächen verursachen also nicht nur Wärmeverluste, sondern bewirken auch Wärmegewinne für die Energiebilanz des Gebäudes. Allerdings muss darauf geachtet werden, dass nicht im Sommer durch solche Maßnahmen unkomfortable Raumluftzustände (zu hohe Temperaturen) eintreten. Darüber hinaus kommen der natürlichen Beleuchtung und dem Sichtkontakt zur Außenwelt, den große Fensterflächen ermöglichen, unter dem Aspekt der Wohnqualität eine besondere Bedeutung zu. Über das ganze Jahr gesehen ist somit von der Heizungsanlage nur ein Teil der Wärme zu liefern, die durch Transmission und Lüftung nach außen abgeführt wird. Die Berechnungsmethoden zum Energiehaushalt von beheizten Räumen bzw. Gebäuden sind in einer Anzahl von Normen festgelegt. Hier sind insbesondere zu nennen:

3.3 Wärmebedarf und Energiehaushalt von Gebäuden

75

• DIN EN ISO 13789: „Spezifischer Transmissionswärmeverlustkoeffizient“ • DIN EN ISO 6946: „Wärmedurchlasswiderstand und Wärmedurchgangskoeffizient“ • DIN EN 12831: „Heizungsanlagen in Gebäuden - Verfahren zur Berechnung der Norm-Heizlast“ • DIN EN 832 und DIN V 4108-6: „Berechnung des Jahreheizenergiebedarfs“ Dazu kommen noch andere Normen für spezielle Teilthemen. Die nachfolgenden Ausführungen sind an den jeweiligen Normen orientiert, jedoch auf die wichtigsten Grundzüge beschränkt und daher stark vereinfacht. 3.3.2

Spezifische Wärmeverluste

Zugrundeliegende Normen: DIN EN ISO 13789 und DIN EN ISO 6946. Hier soll vereinfachend ein Gebäude betrachtet werden, dessen Räume auf einer einheitlichen Soll-Heiztemperatur ϑi gehalten werden, sofern sie beheizt sind. Daneben gibt es in einem Gebäude normalerweise unbeheizte Teile, wie z.B. Keller oder Dachräume. Bei einer Außenlufttemperatur ϑe (der Index „e” steht für „external”) beträgt der stationäre Verlustwärmestrom

Φ = H (ϑi − ϑe ) .

(3.2)

Der „spezifische Wärmeverlustkoeffizient“ H ist der Wärmestrom je Kelvin Temperaturdifferenz zwischen innen und außen, hat also die Dimension eines Wärmeleitwertes [W/K]. Er setzt sich aus den Anteilen der Transmission und der Lüftung zusammen:

H = HT + H V .

(3.3)

(Der Index „V“ steht für „Ventilation“). 3.3.2.1 Transmission

Der „spezifische Transmissionswärmeverlustkoeffizient“

HT = LD + LS + LU setzt sich zusammen aus • dem Wärmeleitwert LD zwischen beheizten Räumen und Außenluft,

(3.4)

76

3 Raumheizung und Klimatisierung

• dem Wärmeleitwert LS der an das Erdreich grenzenden Teile der Gebäudehülle (Der Index „S“ steht für „soil“), sowie • dem Wärmeleitwert LU (in den Normen mit HU bezeichnet), der für den Wärmestrom zwischen beheizten Räumen und der Außenumgebung mit dazwischen liegenden unbeheizten Räumen kennzeichnend ist. Soweit es sich um ebene und plattenförmige Bauteile handelt, die zwischen einem beheizten Innenraum und der Außenluft liegen (wie Außenwände und Fenster), wird die Fläche Aj des Bauteils mit seinem Wärmedurchgangskoeffizienten Uj 9 multipliziert: LD = ∑ A jU j .

(3.5)

j

Der Wärmedurchgangskoeffizient U ist der Kehrwert des (flächenbezogenen) Wärmedurchlasswiderstandes:

U=

1 . RT

(3.6)

Der Wärmedurchlasswiderstand ist also der Widerstand, den der je m² fließende Wärmestrom auf seinem Weg vom beheizten Raum bis zur Außenluft überwinden muss. Tabelle 3.1 zeigt am Beispiel einer Ziegelwand mit vorgesetzter Wärmedämmschicht, wie sich der Wärmedurchlasswiderstand aus den einzelnen Teilwiderständen zusammensetzt:

RT = Rs,i + Rλ + Rs,e .

(3.7)

• Für den inneren Wärmeübergangswiderstand

Rs,i =

1 hi

(3.8)

ist bei senkrechten Wänden ein Wert von Rs,i = 0,13 m²K/W, entsprechend einem Wärmeübergangskoeffizienten 10 hi = 7,7 W/m²/K anzusetzen (Strahlungsanteil inbegriffen). • Für den äußeren Wärmeübergangswiderstand

9

Das Formelzeichen U wird in den einschlägigen Normen anstelle des ansonsten bei wärmetechnischen Berechnungen üblichen k verwendet.

10

Das Formelzeichen h wird in den einschlägigen Normen anstelle des ansonsten bei wärmetechnischen Berechnungen üblichen α verwendet.

3.3 Wärmebedarf und Energiehaushalt von Gebäuden

Rs,e =

77

1 he

(3.9)

ist generell ein Wert von Rs,e = 0,04 m²K/W, entsprechend he = 25 W/m²/K anzusetzen (Strahlungsanteil inbegriffen). • Der Wärmedurchlasswiderstand Rλ = ∑ l

dl

(3.10)

λl

setzt sich bei mehrschichtigen Wandteilen aus den Teilwiderständen der einzelnen Schichten additiv zusammen. Für jede Wandschicht ist d: die Schichtdicke in m und λ: die Wärmeleitfähigkeit in W/K/m Tabelle 3.1.

Wärmedurchlasswiderstand einer Außenwand (Beispiel)

Schicht

d [m]

λ [W/m/K]

R [m²K/W]

Außenoberfläche

-

-

0,040

3

Außenputz

0,015

1,40

0,011

1

Glasfasermatte

0,030

0,04

0,750

55

Ziegelmauer

0,24

0,58

0,414

30

Innenputz

0,015

0,70

0,021

2

Innenoberfläche

-

-

0,130

9

1,366

100

Gesamt

R [%]

Der Einfluss von dreidimensionalen Strukturen, Ecken und Kanten der Gebäudehülle sowie von Wärmebrücken wird S soweit erforderlich S gesondert berücksichtigt (DIN EN ISO 10211). Für die Berechnung des Wärmeleitwertes LS der an das Erdreich grenzenden Teile der Gebäudehülle (Kellerfußboden, Kellerseitenwände) muss nach DIN EN ISO 13370 die von der jeweiligen Außenlufttemperatur unterschiedliche Erdreichtemperatur berücksichtigt werden. Im Unterschied zur konvektiven Wärmeübertragung an die Außenluft handelt es sich hier um einen ausschließlichen Wärmeleitungsvorgang. Liegen zwischen beheizten Räumen und der Außenluft noch unbeheizte

78

3 Raumheizung und Klimatisierung

Räume (wie z.B. Wintergärten), so wird der dafür gültige Gesamtleitwert zwischen beheiztem Raum und Außenluft, LU, prinzipiell aus den Teilleitwerten zwischen beheiztem und unbeheiztem Raum, Liu, und dem zwischen unbeheiztem Raum und Außenluft, Lue, ermittelt:

LU =

Liu Lue Liu + Lue

(3.11)

Für vereinfachte Berechnungen kann sowohl LS als auch LU in Analogie zu Gl.(3.5) unter Verwendung eines (z.B. in DIN 4108-6 angegebenen) Korrekturfaktors Fx ermittelt werden:

Lx = Fx ∑ A jU j

(3.12)

j

3.3.2.2 Lüftung

Der Lüftungswärmeverlust kommt dadurch zustande, dass ein Luftvolumenstrom VL nach außen mit der Temperatur ϑi abgegeben und in gleicher Größe von außen mit der Temperatur ϑe zugeführt wird. Der „spezifische Lüftungswärmeverlustkoeffizient“ [W/K] ist

H V = VL ρ L cp L .

(3.13)

ρ L = 1, 2 kg/m 3 ist die Dichte der Luft und

cp L = 1000 J/kg/K ihre spezifische Wärmekapazität. Der Luftvolumenstrom VL wird meist durch die Luftwechselrate n mit dem Volumen VR der beheizten Räume in Beziehung gesetzt: VL = n VR

(3.14)

Die Luftwechselraten eines Gebäudes bei geschlossenen Fenstern bzw Lüftungsöffnungen hängen ab von der Bauausführung und dem dadurch erreichten Niveau der Luftdichtheit, von der Größe und Form des Gebäudes, seiner Lage sowie den Windverhältnissen. Sie können etwa in einem Bereich zwischen 0,5 und 1,5 liegen. Werden Fenster geöffnet oder gekippt, so können sich die Luftwechselraten beträchtlich erhöhen. Aus hygienischen Gründen ist für Daueraufenthaltsräume ein Luftwechsel von mindestens 0,5 h-1 erforderlich, d.h. innerhalb von jeweils zwei Stunden sollte das gesamte Luftvolumen des Raumes ausgewechselt sein. Bei fensterlosen Räumen mit erhöhtem Lüftungsbedarf (z.B. Versammlungsräume) werden die erforderlichen Austauschraten meist durch Systeme mit mechanischer Führung von Zuluft und Abluft sichergestellt.

3.3 Wärmebedarf und Energiehaushalt von Gebäuden

3.3.3

79

Norm-Heizlast

Die Regeln für die Berechnung der Heizlast 11 von Räumen bzw. Gebäuden sind in der Norm DIN EN 12831 niedergelegt. Ihr Zweck ist die Schaffung der Grundlage für die Auslegung des Heizungssystems (Wärmeerzeuger, Heizflächen), so dass dieses von seiner Leistung her für die Beheizung des Gebäudes ausreicht, aber auch nicht überdimensioniert ist. Der erste Schritt besteht in der Bestimmung des Norm-Wärmeverlustes. Die Berechnung erfolgt nach den in Abschn. 3.3.2 dargelegten Grundsätzen. Als Norm-Innentemperatur ϑi wird für die Berechnung sowohl des NormTransmissionswärmeverlustes als auch des Norm-Lüftungswärmeverlustes im Normalfall die Raumlufttemperatur herangezogen. In Sonderfällen kann es vorkommen, dass die mittlere Strahlungstemperatur der Raumumschließungsflächen um mehr als 3 K unter der Raumlufttemperatur liegt. Dann wird für die Berechnung des Norm-Transmissionswärmeverlustes das arithmetische Mittel aus der Raumlufttemperatur und der mittleren Temperatur der Raumumschließungsflächen herangezogen. Diese Größe wird in den Normen auch als „Operative Temperatur“ bezeichnet, s. Gl.(3.1). Die Anhaltswerte für die Norm-Innentemperatur sind je nach der Nutzungsart des Raumes verschieden und liegen z.B. für Wohn- und Schlafräume bei 20 EC, für geheizte Nebenräume bei 15 EC und für Badräume bei 24 EC. Die Norm-Außentemperatur richtet sich an den niedrigsten Zweitagesmittelwerten der Lufttemperatur aus, die im Zeitraum von 20 Jahren mindestens zehnmal gemessen wurden. Für München ist dies beispielsweise ein Wert von ! 16 EC. Der zweite Schritt besteht in der Bestimmung der Norm-Heizlast. Diese ergibt sich aus dem Norm-Wärmeverlust durch Addition eines Zuschlages für die notwendige Aufheizleistung nach einer Heizungsunterbrechung während der Nachtstunden. Die Höhe dieses Zuschlages richtet sich nach dem Abfall der Innentemperatur während der Nachtabsenkung, nach der veranschlagten Wiederaufheizdauer sowie nach der Schwere der Bauweise. Für ein mittelschweres Wohngebäude, dessen um 2 K abgesenkte Raum-

11

In Anlehnung an die in den neuen europäischen Normen üblichen Sprachgepflogenheiten wird der bisherige Begriff des Wärmebedarfs für eine Leistung ersetzt durch den Begriff der Heizlast. Der Begriff Bedarf wird künftig nur noch für Energiegrößen verwendet, und zwar beschränkt auf rechnerisch ermittelte Größen. Hingegen bezeichnet der Begriff des Verbrauchs eine tatsächlich verbrauchte Energiemenge.

80

3 Raumheizung und Klimatisierung

temperatur binnen 2 Stunden wieder auf den Sollwert gebracht werden soll, ist eine zusätzliche Aufheizleistung von 11 W je m² Wohnfläche anzusetzen. Wärmegewinne werden bei der Bestimmung der Norm-Heizlast nicht angesetzt. 3.3.4

Jahres-Heizwärmebedarf

Die Normen DIN EN 832 und DIN (V) 4108-6 beschreiben ein Berechnungsverfahren zur Ermittlung des Heizwärmebedarfs für die Raumheizung in Wohngebäuden. DIN (V) 4108-6 geht dabei speziell auf die in Deutschland anzuwendenden Randbedingungen ein. Die Berechnung geht in drei aufeinander aufbauenden Stufen vor sich: 1. Berechnung des Wärmeverlustes eines Gebäudes, das auf eine konstante Soll-Innentemperatur beheizt wird; 2. Berechnung der solaren und inneren Wärmegewinne; 3. Berechnung des Heizwärmebedarfs, der unter Berücksichtigung der Wärmegewinne benötigt wird, um die festgelegte Soll-Innentemperatur aufrechtzuerhalten. Der Berechnungszeitraum kann entweder eine bestimmte Heizperiode (ohne sommerliche Heizung) oder der monatliche Zeitraum sein. Die monatliche Berechnung (gekennzeichnet durch den Index "M"), ist das normalerweise anzuwendende Verfahren. Die monatlichen Wärmeverluste Ql,M (der Index l steht für loss)

Ql,M = H (ϑi − ϑe,M ) tM

(3.15)

werden auf der Basis des spezifischen Wärmeverlustkoeffizienten H gemäß Gl.(3.3) für alle Monate ermittelt, in denen die mittlere Außenlufttemperatur ϑe,M kleiner ist als die Heizgrenztemperatur. Darunter wird in DIN (V) 4108-6 diejenige Außentemperatur verstanden, ab der ein Gebäude bei einer vorgegebenen Raumtemperatur nicht mehr beheizt werden muss. tM ist die Zeitdauer des jeweils betrachteten Monats. Die monatlichen Wärmegewinne Qg,M (der Index g steht für gain) setzen sich aus den solaren und den inneren Wärmegewinnen zusammen: Qg,M = Qsol,M + Qint,M (3.16) Die monatlichen inneren Wärmegewinne Qint,M werden bei Wohngebäuden ! sofern keine besonderen Angaben vorliegen ! auf der Basis einer durchschnittlichen Leistung von 5 W je m2 Nutzfläche errechnet. In Büros und Verwaltungsgebäuden sind während der Bürozeiten 15 W/m² und au-

3.3 Wärmebedarf und Energiehaushalt von Gebäuden

81

ßerhalb der Bürozeiten 5 W/m² angesetzt. Die in das Gebäude gelangenden solaren Wärmegewinne

Qsol,M =

(∑

j

)

Isol,M ∑ i FF FS FC gAi tM

(3.17)

resultieren in erster Linie aus der direkten Strahlungstransmission durch Fenster und andere transparente Bauteile wie Wintergärten, daneben aus der Strahlungsabsorption an den Oberflächen nicht transparenter (d.h. opaker) Bauteile. In der Gleichung werden zum einen die verschiedenen Bauteile (i) separat betrachtet. So werden z.B. für jedes Fenster folgende Faktoren berücksichtigt: • die Fensterfläche A (brutto, d.h. einschließlich Rahmen) • der wirksame Gesamtenergiedurchlassgrad g = 0, 85 g⊥ . Der Durchlassgrad g⊥ bei senkrechtem Strahlungseinfall auf die Glasfläche ist in Tabellen festgelegt (bei einem einfachverglasten Fenster beträgt sein Wert beispielsweise 0,85; bei mehrfach verglasten Fenstern weniger); der Abminderungsfaktor von z.B. 0,9 berücksichtigt, dass bei dem üblicherweise gegebenen nicht senkrechten Strahlungseinfall weniger Energie transmittiert wird. • Der Rahmenfaktor FF entspricht dem Verhältnis der durchsichtigen Fläche zur Gesamtfläche der verglasten Einheit, berücksichtigt also den Rahmenanteil. Sofern keine genaueren Werte bekannt sind, wird ein Wert von 0,7 angesetzt. • Der Verschattungsfaktor FS stellt die Abminderung der auf die Oberfläche auftreffenden Sonnenstrahlung als Folge dauerhafter Verschattung durch andere Gebäude, Hügel, Bäume sowie Bauteilüberstände dar. • Der Abminderungsfaktor FC für Sonnenschutzvorrichtungen wird nur dann kleiner als eins gesetzt, wenn solche Vorrichtungen unabhängig von der Sonneneinstrahlung in Betrieb sind. Sodann wird nach der Ausrichtung (j) der einzelnen Bauteilgruppen unterschieden, da die Einstrahlung hiervon wesentlich abhängt. Differenziert nach • Himmelsrichtung, nach der das betreffende Fenster ausgerichtet ist, in 8facher Unterteilung (N, NW, W, SW, S, SO, O, NO), und • Neigung der betreffenden Fläche gegen die Horizontale (senkrecht stehende Fensterflächen haben eine Neigung von 90 °), ist die im Monatsmittel herrschende solare Einstrahlungsdichte Isol,M,j [W/m²] (direkt und diffus) tabelliert. Zur Berücksichtigung der klimatischen Ein-

82

3 Raumheizung und Klimatisierung

flüsse gibt es eine weitere Unterteilung in 15 Referenzregionen in Deutschland, für die jeweils ein Referenzort die Datengrundlage liefert. Für die südbayerische Region 14 gilt Weihenstephan als Referenzort. Abbildung 3.7 gibt hierfür die Monatsmittelwerte der Strahlungsintensität aus den vier Haupthimmelsrichtungen (Neigung jeweils 90 °) sowie für die Neigung 0 ° wieder. 250

26-324-A 26-324-A 20.11.03 20.11.03

Durchschnittliche Strahlungsintensität in W/m²

200

Orientierung der bestrahlten Fläche:

horizontal

Ost (vertikal) West (vertikal)

150

Süd (vertikal) 100

50

Nord (vertikal)

0

Jan

Feb

Mrz

Apr

Mai

Jun

Jul

Aug

Sep

Okt

Nov

Dez

Abb. 3.7. Durchschnittliche Strahlungsintensität für den Referenzort Weihenstephan (Region 14)

Aufgegliedert entsprechend der Orientierungsrichtung sind also die Fensterflächen mit ihren Transmissionsgraden und Abminderungsfaktoren sowie mit den entsprechenden Werten der Strahlungsintensität zu multiplizieren, über j aufzusummieren und schließlich mit der Dauer tM des betreffenden Monats zu multiplizieren. Der monatliche Heizwärmebedarf wird aus den Wärmeverlusten und den Wärmegewinnen bestimmt:

Qh,M = Ql,M − ηM Qg,M

(3.18)

Der Ausnutzungsgrad ηM bezeichnet für den betreffenden Monat den Anteil der Wärmegewinne, der für die Beheizung des Gebäudes wirksam wird und damit zu einer Verringerung des Heizwärmebedarfs führt. Die Berechnungsvorschrift lautet:

3.3 Wärmebedarf und Energiehaushalt von Gebäuden

ηM =

1 − γ Ma 1 − γ Ma+1

83

(3.19)

oder, falls γM = 1 ist:

ηM = lim γ →1

1 − γ Ma a = a +1 a+1 1 −γM

(3.19a)

Ein wichtiger Parameter ist das Verhältnis aus Wärmegewinnen und Wärmeverlusten in dem betreffenden Monat: ⎛ Qg ⎞ ⎟ ⎝ Ql ⎠M

γM = ⎜

(3.20)

Der Exponent a ist eine Funktion der Zeitkonstante des Gebäudes und ist bei monatlicher Berechnung folgendermaßen definiert:

a =1+

τ 16 h

(3.21)

Die Zeitkonstante τ des Gebäudes ist hierbei in Stunden einzusetzen. Sie errechnet sich als Quotient aus der wirksamen Wärmespeicherfähigkeit und dem spezifischen Wärmeverlustkoeffizienten nach Gl.(3.3):

τ=

Cwirk , H

(3.22)

und ist kennzeichnend dafür, ob ein Gebäude in „leichter“ oder in „schwerer“ Bauweise ausgeführt ist. Die wirksame Wärmespeicherfähigkeit

Cwirk = ∑ i ci ρ i di Ai [ Wh/K ]

(3.23)

ergibt sich aus der Summation über alle Bauteilflächen i des Gebäudes, die mit der Raumluft in Berührung kommen. Schwanken die Temperatur und die Strahlungsintensität im Tagesrhythmus, so ist als wirksame Schichtdicke di für die Wärmespeicherung jeweils die halbe Wandstärke von Innenwänden, höchstens jedoch eine Schichtdicke von 10 cm anzusetzen. Tiefer liegende Wandschichten spielen für die Zyklen der Wärmeaufnahme und -abgabe keine Rolle. Für vereinfachte Berechnungen wird die wirksame Wärmespeicherfähigkeit proportional zum Bruttovolumen des Gebäudes angesetzt. Als Proportionalitätsfaktor ist für Gebäude mit leichter Bauweise ein Wert von 15 Wh/K/m³ und bei schwerer Bauweise (Gebäude mit massiven Innen- und Außenbauteilen) ein Wert von 50 Wh/K/m³ zu verwenden.

84

3 Raumheizung und Klimatisierung

Abbildung 3.8 zeigt im oberen Diagramm den Ausnutzungsgrad ηM nach Gl.(3.19), also in Abhängigkeit vom Gewinn-/Verlustverhältnis γ. In den kalten Wintermonaten, d.h. für Qg  Ql , ist auch tagsüber der Wärmeverlust des Gebäudes so groß, dass nahezu die gesamten Wärmegewinne auch in einem Gebäude von leichter Bauweise sofort nutzbar sind. Im Gegensatz dazu besteht im Hochsommer ein solches Überangebot an Sonneneinstrahlung, dass nur ein sehr kleiner Teil davon nutzbar ist, der Ausnutzungsgrad also sehr klein ist. Je größer die Wärmespeicherfähigkeit des Gebäudes, desto besser werden die Wärmegewinne genutzt. Im unteren Diagramm ist der Heizwärmebedarf, bezogen auf den Wärmeverlust, über γ aufgetragen. Generell bedeutet eine kleinere Zeitkonstante des Gebäudes einen höheren Heizwärmebedarf, da sich die Ausnutzung der Wärmegewinne verschlechtert. Je schwerer die Bauweise, desto weiter reicht Zeitkonstante des Gebäudes τ=

1,0

Ausnutzungsgrad ηΜ

0,8

24

0,7

8

0,6

26-325-A-03 26-325-A-03

4

h

h

8 16

48

0,9

h

h 0

h

0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

2,5

3,0

3,5

4,0

1,0

Bezogener Heizwärmebedarf Qh / Ql

0,9 0,8 0,7 0,6

Zeitkonstante des Gebäudes τ= 0h

0,5 0,4

8h

0,3

24 h

0,2

48 h

0,1

168

4

0,0 0,0

0,5

1,0

h 1,5

2,0

Gewinn-/Verlustverhältnis γ = Qg / Ql

Abb. 3.8. Ausnutzungsgrad und bezogener Heizwärmebedarf

3.3 Wärmebedarf und Energiehaushalt von Gebäuden

85

der quasi-lineare Rückgang des bezogenen Heizwärmebedarfs im Bereich kleiner Wärmegewinne. Im Extremfall eines „unendlich schwer ausgeführten“ Gebäudes (t 6 4) sind die Wärmegewinne voll nutzbar, sofern sie kleiner sind als die Wärmeverluste (γ ≤ 1) ; andernfalls wird der Heizwärmebedarf zu Null. Die überschüssige eingestrahlte Energie wird ebenfalls im Gebäude als Wärme frei und führt dort zu einem Anstieg der Raumtemperaturen über den gewünschten Wert ϑi hinaus. Um also zu hohe Raumtemperaturen zu vermeiden, muss diese Energie durch gezielten Luftaustausch abgeführt werden. Eine andere Möglichkeit besteht in der gezielten Kühlung der Räume durch Klimaanlagen. Auf der Basis der so erstellten monatlichen Energiebilanzen des Gebäudes wird der jährliche Heizwärmebedarf durch Aufsummieren der Monatswerte ermittelt: Qh = ∑ Qh,M . HP

(3.24)

Für die Festlegung der Heizperiode (HP) gibt es verschiedene Möglichkeiten. Im einfachsten Fall werden die Monate ausgewählt, deren Mitteltemperatur unterhalb der Heizgrenztemperatur von üblicherweise 15 °C liegt. Da sich das Temperaturkriterium für die Heizgrenze aber eigentlich auf Tagesmitteltemperaturen bezieht, kann eine höhere zeitliche Auflösung des saisonalen Temperaturverlaufes erforderlich sein. Genauere Ergebnisse erhält man z.B. durch lineare Interpolation zwischen den Monaten im Frühjahr und im Herbst, in denen der saisonale Temperaturverlauf die Heizgrenztemperatur schneidet. In DIN V 4108-6 ist eine Berechnungsvorschrift für eine variable Heizgrenztemperatur angegeben, um den Einfluss von Wärmedämmung und Wärmespeicherfähigkeit eines Gebäudes auf dessen individuelle Heizgrenze zu berücksichtigen. Die anschließende Berechnung des Heizenergiebedarfs, der unter Berücksichtigung der Verluste der Heizungsanlage (vgl. Abschn. 3.5) jährlich zur Raumheizung des Gebäudes benötigt wird, ist in den erwähnten beiden Normen nur kurz angesprochen.

3.4

Energieeinsparverordnung

Die im Jahre 2002 in Kraft getretene und 2004 novellierte „Verordnung über energiesparenden Wärmeschutz und energiesparende Anlagentechnik bei Gebäuden“, die sog. „Energieeinsparverordnung“ (EnEV) löst sowohl die Wärmeschutzverordnung als auch die Heizungsanlagen-Verordnung ab. Sie

86

3 Raumheizung und Klimatisierung

stellt Anforderungen an Gebäude einschließlich ihrer heizungs- und raumlufttechnischen sowie zur Warmwasserbereitung dienenden Anlagen. Dabei wird unterschieden zwischen zu errichtenden Gebäuden und bestehenden Gebäuden. Zu errichtende Wohngebäude sind danach so auszuführen, dass • der spezifische, auf die wärmeübertragende Umfassungsfläche A bezogene Transmissionswärmeverlust HT sowie • der auf die Gebäudenutzfläche AN bezogene Jahres-Primärenergiebedarf QP gewisse Höchstwerte nicht überschreiten. Diese Werte sind in Abhängigkeit vom Oberflächen-Volumen-Verhältnis A/Ve in der Verordnung festgelegt. Ve ist das von der Umfassungsfläche umschlossene Gebäudevolumen. In die Berechnung des Jahres-Primärenergiebedarfs,

QP = ( Qh + QW ) eP ,

(3.25)

geht ein: • der Nutzwärmebedarf Qh für Heizung gemäß Gl.(3.24). Die Berechnung erfolgt auf der Basis der DIN EN 832 nach dem Monatsbilanzverfahren. Für Gebäude mit einem Fensterflächenanteil von nicht mehr als 30 % kann die Berechnung auch nach einem vereinfachten Nachweisverfahren erfolgen. • der Nutzwärmebedarf für Brauchwarmwasser; hierfür wird ein pauschaler Wert von QW / AN = 12,5 kWh/m²/a angesetzt; • Die Anlagenaufwandszahl eP beschreibt das Verhältnis der von der Anlagentechnik benötigten Primärenergie in Relation zu der von ihr abgegebenen Nutzwärme, entspricht also im Prinzip dem Kehrwert eines Nutzungsgrades. Die Anlagenaufwandszahl wird nach DIN V 4701-10 ermittelt. Je nach Planungsstand und Datenlage stehen dafür verschiedene Verfahren über Diagramme, Tabellen sowie detaillierte Berechnung zur Auswahl. Berücksichtigt werden dabei im einzelnen: - die Verluste infolge Trägheit und Regelungenauigkeit des Wärmeübergabesystems - die Verluste bei der Wärmeverteilung - die Verluste evtl. vorhandener Wärmespeicher - die Verluste bei der Wärmeerzeugung. Sind mehrere Wärmeerzeuger vorhanden, so werden deren Deckungsanteile berücksichtigt. - der Hilfsenergieverbrauch, z.B. für Umwälzpumpen - der Aufwand und die Verluste bei Förderung, Aufbereitung, Umwandlung, Transport und Verteilung der jeweiligen Energieträger im Zuge

3.4 Energieeinsparverordnung

87

der Bereitstellung der notwendigen Primärenergie. Die entsprechenden Primärenergiefaktoren werden durch Modellierung von Prozessketten ermittelt und betragen nach den Stammdatensätzen von GEMIS: - für öl- und gasgefeuerte Zentralheizungsanlagen: 1,1 - für Nah-/Fernwärme aus KWK mit fossilen Brennstoffen: 0,7 - für Strom: 3,0 Die wesentlichen Ergebnisse der Berechnungen für ein Gebäude sind in einem „Energiebedarfsausweis“ zusammenzustellen. Dies betrifft insbesondere die spezifischen Werte des Transmissionswärmeverlustes, den Endenergiebedarf sowie den Jahres-Primärenergiebedarf. Dieser Energiebedarfsausweis ist den nach Landesrecht zuständigen Behörden auf Verlangen vorzulegen und Käufern, Mietern und sonstigen Nutzungsberechtigten der Gebäude auf Anforderung zur Einsichtnahme zugänglich zu machen. Bestehende Gebäude sind in zweifacher Hinsicht von der EnEV betroffen: 1. Soweit bei beheizten Räumen Änderungen an Außenwänden, Fenstern, Außentüren, Decken, Dächern und sonstigen, den Wärmehaushalt beeinflussenden Bauteilen vorgenommen werden, darf deren Wärmedurchgangskoeffizient gewisse vorgegebene Höchstwerte nicht übersteigen. 2. Nachrüstungsvorschriften gibt es für alte Heizkessel, für die Wärmedämmung von Wärmeverteilungs- und Warmwasserleitungen und für die obersten Geschossdecken beheizter Räume.

3.5

Heizungsanlagen

Die Norm DIN V 4701-10 „Energetische Bewertung heiz- und raumlufttechnischer Anlagen“ beinhaltet eine Reihe von Berechnungsanleitungen und Richtwerten für die Kenngrößen von Heizungsanlagen. 3.5.1

Systematische Einteilung

Die wesentlichen Bestandteile einer Heizungsanlage sind die Komponenten zur • • • •

Wärmeerzeugung (z.B. Heizkessel) Wärmespeicherung (z.B. Heizwasserspeicher) Wärmeverteilung (z.B. Rohrnetz) Wärmeübergabe (z.B. Heizkörper)

Hinzu kommen Einrichtungen zur Steuerung bzw. Regelung der Anlage. Je

88

3 Raumheizung und Klimatisierung

nach Heizsystem können auch einzelne Komponenten entfallen. Hinsichtlich der Zentralisation des Wärmeerzeugers unterscheidet man: • Einzelheizungen: Hier befindet sich der Wärmeerzeuger in den zu beheizenden Räumen selbst. Die Wärmeerzeuger sind Einzelöfen, die die Wärme direkt über ihre äußere Oberfläche und z.T. auch über inneren Wärmetausch an durchströmende Raumluft abgeben. Je nach der Art der zugeführten Energie kann es sich um Festbrennstoff-, Öl- oder Gasöfen handeln, oder aber um elektrische Heizgeräte. Bei letzteren wird zwischen Direktheizgeräten (Heizlüfter oder Strahler) unterschieden, die die erzeugte Wärme praktisch unverzögert an den Raum abgeben, und zwischen Speicherheizgeräten, bei denen die Speichermasse die durch billigen Nachtstrom erzeugte Wärme aufnimmt und untertags dosiert je nach Bedarf an den Raum abgibt. • Zentralheizungen: Sämtliche Räume eines Hauses werden von einem zentralen Wärmeerzeuger versorgt. Bei größeren Objekten ist die erforderliche Gesamtleistung der Wärmeerzeugung meist auf mehrere Einheiten oder Module aufgeteilt. Zusätzlich zu der damit vorhandenen Ausfallreserve hat das den Vorteil, dass die kleineren Einheiten in den vorherrschenden Schwachlastzeiten besser ausgelastet sind und damit ökonomischer betrieben werden können. Als Einheiten zur Wärmeerzeugung kommen neben dem normalerweise verwendeten Heizkessel (Kap. 3.5.2) auch Wärmepumpen (Kap. 3.5.3) in Betracht, sowie Module mit Kraft-Wärme-Kopplung (KWK), die nicht nur Heizwärme sondern auch Strom erzeugen. Diese „Blockheizkraftwerke“ (BHKW) bestehen meist aus einem Verbrennungsmotor mit angeschlossenem Stromgenerator. Die erzeugte Wärme stammt in erster Linie aus dem Abgas und aus der Abwärme des Motorblocks. Zum Transport der Wärme in die zu beheizenden Räume dient normalerweise Wasser(Warmwasserheizung). Die Verwendung von Dampf oder von Luft als Wärmeträger ist nur noch vereinzelt anzutreffen. Teilweise übernimmt der Wärmeerzeuger auch die Aufgabe der Brauchwarmwassererwärmung (zentrale Warmwasserversorgung). • Fernheizungen: Hier wird eine mehr oder weniger große Gebäudegruppe, eine Siedlung oder ein Stadtteil aus einem Heizwerk oder einem Heizkraftwerk mit Wärme versorgt. Als Wärmeträger wird auch hier meist Wasser verwendet, allerdings mit höheren Vorlauftemperaturen (teilweise Heißwasser von über 120°C), selten Dampf.

3.5 Heizungsanlagen

89

Bei allen Warmwasserheizungen, sei es als Zentral- oder als Fernheizung, wird das Heizwasser in einem Rohrleitungssystem zwischen dem Wärmeerzeuger und den zu beheizenden Räumen im geschlossenen Kreislauf geführt. Die dabei auftretenden Wärmeverluste hängen (neben der Wärmedämmung der Rohre) davon ab, zu welchen Anteilen die Leitungen außerhalb der thermischen Gebäudehülle liegen, also z.B. im Kellerbereich oder in Außenwänden. Meist erfolgt die Umwälzung durch Pumpen, selten geworden ist die „Schwerkraftheizung“, die die Auftriebswirkung des wärmeren Vorlaufwassers zur Umwälzung nutzt. Zur Wärmeabgabe in den zu beheizenden Raum dient der Heizkörper. Das durchlaufende Wasser erwärmt ihn und kühlt dabei von der Vorlauftemperatur auf die Rücklauftemperatur ab. Aus dem Produkt dieser Temperaturdifferenz, der sog. „Temperaturspreizung“, und dem Wasserdurchsatz ergibt sich die an den Raum abgegebene Wärmeleistung. Je nach der Bauart (Radiatoren, Konvektoren) und Ausführungsform (Glieder-, Rippenrohr-, Flachheizkörper) erfolgt der Wärmeeintrag in den Raum in Kombination der Mechanismen Konvektion und Wärmestrahlung. Die Wärmeleistung eines Heizkörpers kann bei gegebener Vorlauftemperatur durch Verstellen des Wasserdurchsatzes mittels eines Ventils reguliert werden. Wegen der starken Nichtlinearität der Kennlinie ist jedoch bei handbetätigten Ventilen oft keine befriedigende Regulierung erreichbar. Die heute üblichen Thermostatventile regeln den Durchfluss entsprechend der vom Fühler erfassten Raumtemperatur automatisch und ermöglichen damit eine Dosierung der Wärmeabgabe an den zu beheizenden Raum. Trotzdem kann es auch hier zu einer überschüssigen Wärmeabgabe kommen, z.B. infolge der thermischen Trägheit des Heizkörpers. 3.5.2

Heizkessel

Zentralheizkessel stellen die am meisten verbreitete Technik zur Bereitstellung von Raumwärme dar. Zusätzlich dienen sie in aller Regel auch zur Brauchwassererwärmung, entweder als Speicherkessel mit integriertem Warmwasserspeicher oder in Kombination mit separatem Beistellspeicher. Die Wärmeleistung eines Heizkessels kann normalerweise nicht stufenlos reguliert werden. Vor allem für kleinere Heizkessel ist nur der Ein-AusBetrieb möglich. Ein Grund dafür ist, dass der Verbrennungsluftstrom über ein Gebläse gefördert wird und eine Regulierung hier einen beträchtlichen technischen Aufwand erfordern würde. Hinzu kommt bei Verwendung von Heizöl, dass die heute in aller Regel eingesetzten Zerstäubungsbrenner in ihrer Durchsatzleistung nach unten begrenzt sind.

90

3 Raumheizung und Klimatisierung

Über den größten Teil der Heizperiode liegt jedoch die Heizlast weit unter ihrem Maximalwert. Bei kleineren Anlagen mit nur einem Heizkessel muss dieser auf die Deckung der Norm-Heizlast ausgelegt sein. Dies führt zu • Brennerlaufzeiten von nur wenigen Minuten Dauer, • ähnlich kurzen Stillstandszeiten dazwischen, sowie • häufigen Startvorgängen. Abbildung 3.9 (Mühlbacher et al. 2002) zeigt dies am Beispiel eines neuen Öl-Niedertemperaturkessels in einem Einfamilienhaus. Eine Verringerung der Taktfrequenz und Verlängerung der Brennerlaufzeiten würde die Installation eines Wärmespeichers erfordern, was aber wegen des baulichen und anlagentechnischen Aufwandes normalerweise nicht in Betracht kommt.

Abb. 3.9. Betriebsdaten der Raumwärmeversorgung mit einem Öl-Niedertemperaturkessel, Baujahr 2000, Nennwärmeleistung 21 kW

Abbildung 3.10 (Mühlbacher 2003) zeigt, dass zu Beginn des Startvorganges eines Öl-Gebläsebrenners aufgrund der Brennraumdurchspülung die Emissionen von Kohlenwasserstoffen (HC) und Kohlenmonoxid (CO) stark ansteigen, jedoch nach wenigen Sekunden unter etwa 20 ppm zurückgehen. Nach dem Stopp des Brenners ist wegen des Schließens der Abgasklappe wieder ein erhebliches und länger dauerndes Ansteigen der Konzentrationen von HC und CO zu beobachten. Da der Luftdurchsatz in dieser Phase auf einen Bruchteil reduziert ist, sind die Emissionsmengen freilich gering.

3.5 Heizungsanlagen

91

Abb. 3.10. Emissionen der einzelnen Betriebsphasen eines Brennerzyklus am Beispiel eines Öl-Gebläsebrenners

Die Energieverluste von Heizkesseln treten im wesentlichen in folgender Form auf: • Abgasverluste: Fühlbarer, latenter und chemisch gebundener Energieinhalt, • Oberflächenverluste, sowie • innere Auskühlverluste. Die fühlbaren Abgasverluste lassen sich angenähert nach der SIEGERTschen Formel ermitteln 12:

qA = σ ⋅

ϑA − ϑL CO2

(3.26)

In dieser Zahlenwertgleichung ist: qA

ϑA ϑL

12

der bezogene Abgasverlust als Prozentwert der mit dem Brennstoffheizwert zugeführten Feuerungsleistung, die Abgastemperatur, die Temperatur der dem Kessel zugeführten Verbrennungsluft,

Der Fehler dieser Formel liegt bei etwa ± 5 %. Eine in der BImSchVO angegebene Formel auf der Basis von zwei brennstoffspezifischen Parametern reduziert den Fehler auf rd. ± 1 %.

92

3 Raumheizung und Klimatisierung

CO2 σ

der CO2-Gehalt im Abgas in Vol.-%, ein brennstoffspezifischer Parameter („Siegert-Faktor“).

Abbildung 3.11 gibt die Ergebnisse für die Verbrennung von Heizöl EL wieder. Für diesen Brennstoff liegt der Wert von σ bei rd. 0,59. Der bezogene Abgasverlust ist umso größer, je höher die Abgastemperatur und je kleiner der im Abgas gemessene CO2-Gehalt ist. CO2-Gehalt im Abgas:

20%

26-326-A 26-326-A 28.11.03 28.11.03

8% 9%

Verbrennungslufttemperatur: 20 °C

Bezogener fühlbarer Abgasverlust in %

10

%

11 %

15%

12 % 13 % 14 % 15 %

10% 15,5

%=

) m ax (CO 2

5%

0% 20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

300

Abgastemperatur in °C

Abb. 3.11. Bezogener Fühlbarer Abgasverlust von Ölkesseln

Günstig für einen Kessel mit geringen Verlusten ist also zum einen eine möglichst niedrige Abgastemperatur. Hierauf hat das Temperaturniveau des Wassers im Kessel entscheidenden Einfluss. Die modernen Niedertemperaturkessel sind dank spezieller Materialien und Bauweisen in der Lage, mit gleitenden Kesselwassertemperaturen zu fahren, entsprechend den Temperaturerfordernissen des Heizungssystems bei der jeweils herrschenden Außentemperatur. Allerdings sind einer Senkung der Abgastemperaturen namentlich bei Ölfeuerungen Grenzen gesetzt, und zwar im wesentlichen durch den Schwefelsäuretaupunkt. Bei den Schwefelgehalten, die heute im Heizöl EL noch zugelassen sind (max. 0,2 Gew.-%), liegt dieser Taupunkt bei etwa 120°C. Unterschreitet das Abgas diese Temperatur, so greift die entstehende Schwefelsäure die Flächen an, an denen sie kondensiert (Tieftemperatur-Korrosion). Da dies im gesamten Abgasweg, also bis zum Austritt aus dem Schornstein, vermieden werden muss, ist die niedrigste zulässige Abgastemperatur am Kesselaustritt entsprechend höher.

3.5 Heizungsanlagen

93

Der zweite anzustrebende Faktor, nämlich ein hoher CO2-Gehalt, ist gleichbedeutend mit einem möglichst geringen Luftüberschuss. Das Luftverhältnis λ, als Quotient aus der tatsächlich der Feuerung zugeführten Verbrennungsluftmenge zu der für stöchiometrische Verbrennung erforderlichen, hängt mit dem CO2-Gehalt reziprok zusammen 13:

λ≈

( CO2 )max CO2

(3.27)

Der maximal mögliche CO2-Gehalt ist der bei stöchiometrischer Verbrennung. Bei der Verbrennung von Heizöl EL sind das rd. 15,5 Vol.-%. Der in Abb. 3.10 ersichtliche Wert von ungefähr 13 % während der Brennerlaufzeit bedeutet somit ein Luftverhältnis von rd. 1,2, also einen Luftüberschuss von 20 %. Das entspricht etwa dem Richtwert für kleine Anlagen mit einem Öldurchsatz bis 2 kg/h, d.h. einer Feuerungswärmeleistung bis ca. 25 kW. Größere Anlagen können für kleineren Luftüberschuss ausgelegt bzw. eingestellt werden. Eine zu starke Reduzierung des Luftüberschusses muss jedoch vermieden werden, da sonst die Emission von CO und HC stark ansteigt. Als latenter Abgasverlust wird der Energieinhalt in Form der Verdampfungsenthalpie des bei der Verbrennung entstandenen Wasserdampfes 14 verstanden. Im Heizwert, mit dem üblicherweise der Energieinhalt von Brennstoffen angegeben wird, ist dieser Posten nicht enthalten. Der latente Anteil wird bedeutsam, wenn es gelingt, einen Teil des Wasserdampfes im Kessel zu kondensieren und damit für die Heizwärmeerzeugung nutzbar zu machen. Ein solcher „Brennwertkessel“ kann u.U. Wirkungsgrade von über 100 % erreichen, wenn ! wie es üblich ist ! der Heizwert als Bemessungsgrundlage herangezogen wird. Die Brennwerttechnik wird fast ausschließlich für Erdgas angewendet, da dieser Brennstoff praktisch schwefelfrei ist und somit keine Korrosion durch kondensierende Schwefelsäure im Abgasweg auftreten kann. Die Verluste durch un- oder teilverbrannte Abgasbestandteile entsprechen deren Heizwert und sind selbstverständlich proportional zu der Konzentration dieser Bestandteile im Abgas. Wie aus Abb. 3.10 ersichtlich, liegen

13

Dieser vereinfachte Zusammenhang weist gegenüber den exakten, aber auch komplizierten Formeln z.B. bei Heizöl EL für CO2-Gehalte über 9,5 % einen Fehler von weniger als 2 % auf.

14

Zuzüglich des in feuchten Festbrennstoffen in flüssiger Phase enthaltenen Wassers

94

3 Raumheizung und Klimatisierung

bei Ölkesseln nach heutigem technischen Stand die HC- und die CO-Konzentrationen in einer Größenordnung von jeweils 10 ppm. Der hieraus resultierende Abgasverlust liegt in der Summe unter 0,1 % und ist somit aus energetischer Sicht bedeutungslos. Die Oberflächenverluste durch Strahlung und Konvektion an die Umgebung sind wegen des A/V-Verhältnisses prozentual umso kleiner, je größer der Wärmeerzeuger ist. Dank guter Wärmedämmung und niedriger Kesselwassertemperaturen erreichen auch kleine Heizkessel heute Werte von weniger als 3 % der Feuerungsleistung. Bei großen Einheiten sind es etwa 0,5 %. Innere Auskühlverluste entstehen dadurch, dass nach dem Stopp des Brenners der Brennraum noch von Luft durchströmt und dabei abgekühlt wird. Diese Verluste lassen sich verringern durch Abgasklappen, die sich bei Brennerstopp automatisch schließen. Eine gewisse Luftdurchspülung des Brennraums muss aus Sicherheitsgründen jedoch gewährleistet bleiben. Die dargestellte Verluststruktur ist bestimmend für das energetische Betriebsverhalten von Kesseln über einen Betriebszeitraum wie z.B. eine Heizperiode oder ein Jahr. Vor allem im letztgenannten Fall ist zu beachten, dass der Kessel normalerweise nicht nur die Energie zur Raumheizung bereitstellt, sondern auch zur Brauchwarmwasserversorgung. Der Nutzungsgrad

g=

QNutz QBS

(3.28)

als Verhältnis der vom Kessel nutzbar abgegebenen Energie zu der mit dem Brennstoff zugeführten ist stark abhängig vom Lastgrad. Wie messtechnische Untersuchungen (Mühlbacher 2003) gezeigt haben, lässt sich der saisonale Einfluss auf das energetische Betriebsverhalten sehr gut anhand von Tageswerten beschreiben. Hierzu zeigt Abb. 3.12 den Vergleich zwischen zwei ölgefeuerten Heizkesseln über der jeweils pro Tag für Heizung und Warmwasserbereitung abgegebenen Wärmemenge. Deutlich tritt der Vorteil eines neuen Niedertemperaturkessels gegenüber einem älteren Standardheizkessel 15 zu Tage. Die Verbesserungen betreffen sowohl die Abgasverluste (und damit den feuerungstechnischen Wirkungsgrad), als

15

Als Standardkessel werden Wärmeerzeuger bezeichnet, die aus technischen Gründen mit einer festen Kesselwassertemperatur (mindestens 70°C) betrieben werden müssen, ungeachtet der erforderlichen Vorlauftemperatur, die meist niedriger ist.

3.5 Heizungsanlagen

50-191-B-02

100

95

80

Öl-Niedertemperaturheizkessel (Baujahr 2000) Jahresnutzungsgrad 91,3%

Sommertag

40

20

Übergangstag trüb

Übergangstag heiter

60

Wintertag trüb Wintertag heiter

Nutzungsgrad in %

Öl-Standardheizkessel (Baujahr 1979) Jahresnutzungsgrad 70,1%

0 0

20

40 60 80 100 120 Vom Wärmeerzeuger abgegebene Wärmemenge in kWh/d

140

160

Abb. 3.12. Nutzungsgradverlauf eines alten und neuen Öl-Niedertemperaturkessels für den Einsatz in einem Einfamilienhaus

auch die Bereitschaftsverluste. Die geringeren Abgasverluste des Niedertemperaturkessels sind in erster Linie verantwortlich für das deutlich höhere Wirkungsgradniveau über den größten Teil des Betriebsbereiches. Dass in der Übergangszeit das Nutzungsgradniveau des älteren Standardkessels stärker abfällt als beim Niedertemperaturkessel, ist auch auf die Unterschiede bei den Bereitschaftsverlusten zurückzuführen. In der warmen Jahreszeit geht der Energiebedarf der Raumheizung bis auf Null zurück. An einem typischen „Sommertag“ ist nur noch der Energiebedarf für die Brauchwarmwasserbereitung zu decken. Generell weisen die Wärmeerzeuger in solchen Betriebsbereichen sehr niedrige Nutzungsgrade auf, da die Bereitschaftsverluste bestimmend für die Energiebilanz sind. Jedoch ist auch hier der Niedertemperaturkessel deutlich überlegen. Der um 10 Prozentpunkte höhere Tagesnutzungsgrad am typischen Sommertag bedeutet einen um 20 % reduzierten Brennstoffverbrauch. Betrachtet man das ganze Jahr, so liegen die Verluste des Niedertemperaturkessels unter 10 % der verbrauchten Endenergie (Jahresnutzungsgrad: 91,3 %). Im Vergleich zu dem älteren Standardkessel (Jahresnutzungsgrad: 70,1 %) bedeutet das eine Brennstoffeinsparung von fast einem Viertel.

96

3 Raumheizung und Klimatisierung

In Abb. 3.13 ist das komplette Energieflussbild für einen realen Einsatzfall dargestellt. Als Wärmeerzeuger ist hier ein älterer Ölkessel eingesetzt. In dieser Betrachtung sind auch die Posten des Stromverbrauchs, z.B. für den Betrieb der Pumpen, mit berücksichtigt. Außerdem sind alle Energieverbrauchswerte auf Primärenergie zurückgerechnet, d.h. es sind die Verluste und der Eigenverbrauch bei Förderung, Umwandlung und Transport im Energiesektor mit einbezogen.

Abb. 3.13. Primärenergiebilanz der Heizungs- und Warmwasserversorgung in einem Altbau

3.5 Heizungsanlagen

3.5.3

97

Wärmepumpen 16

3.5.3.1 Grundbegriffe

Durch die Sonneneinstrahlung werden Luft, Boden, Grund- und Oberflächenwasser erwärmt. Die Wärmepumpe ermöglicht die Nutzung dieser auf einem niedrigen Temperaturniveau in Form von Umgebungswärme gespeicherten Sonnenenergie zur Wärmeversorgung. Entsprechendes gilt für die Abwärme aus industriellen Prozessen auf niedrigem Temperaturniveau. Eine Wärmepumpe ist eine Anlage, die es ermöglicht, aus einer Wärmequelle geringwertige (d.h. auf niedrigem Temperaturniveau befindliche) thermische Energie zu entnehmen und, unter Zufuhr von hochwertiger Treibenergie, in höherwertige (d.h. auf einem höheren Temperaturniveau befindliche) thermische Energie umzuwandeln. Dem oberen Temperaturniveau sind hierbei aus technischen und aus wirtschaftlichen Gründen Grenzen gesetzt. Deshalb liegt das Einsatzpotential der Wärmepumpe dort, wo Raumwärme, Warmwasser oder auch Prozesswärme in einem Temperaturbereich von etwa 35 bis 65EC (in besonderen Fällen auch bis zu 110EC) benötigt werden. Wärmepumpen bestehen aus mehreren Komponenten, die durch Rohrleitungen zu einem geschlossenen System verbunden sind, in dem ein Arbeitsmedium (meist ein Kältemittel) zirkuliert. Dabei findet ein linksläufiger thermodynamischer Kreisprozess statt. Je nach der Art dieses Prozesses unterscheidet man zwischen Kaltdampfkompressions-, Thermokompressions- und Absorptionswärmepumpen. Bei den am häufigsten eingesetzten Kompressionswärmepumpen wird dem Kreisprozess die Treibenergie in Form von mechanischer Arbeit zur Verdichtung des gasförmigen Arbeitsmediums zugeführt. Im Fall des Antriebs durch einen Elektromotor spricht man von einer Elektro-Wärmepumpe, es gibt aber auch den Antrieb durch Verbrennungsmotor oder sonstige thermische oder hydraulische Kraftmaschinen. Als Wärmequelle kommen hauptsächlich in Betracht: • Außenluft • Erdreich • Grundwasser

16

Teilweise übernommen aus: Bressler et al (1996)

98

3 Raumheizung und Klimatisierung

• Oberflächengewässer • gefasste Abwärmeströme aus industriellen Prozessen. Die wichtigsten Kriterien für die Nutzbarkeit einer Wärmequelle sind der Aggregatzustand des Trägermediums, Höhe und tages- bzw. jahreszeitliche Schwankungen seiner Temperatur, die mengenmäßige Verfügbarkeit sowie eventuelle durch die Nutzung entstehende Rückwirkungen auf die Umwelt. Zur Charakterisierung eines Wärmepumpensystems wird oft die Bezeichnung der Wärmequelle sowie des Heizwärmeträgers vorangestellt. Eine “Luft/Wasser-Wärmepumpe” nutzt also Luft als Wärmequelle und dient als Wärmeerzeuger für eine Warmwasserheizung. Die Wärmepumpe wird entweder allein ("monovalent") oder mit einem ergänzenden Wärmeerzeuger ("bivalent") im Alternativ-, Parallel- oder Mischbetrieb betrieben. Die Beschreibung der energetischen Effizienz von Wärmepumpen kann über verschiedene Kenngrößen erfolgen, die jeweils den Ertrag in Relation zum Aufwand setzen, und die somit dem Wirkungsgrad konventioneller Heizungsanlagen entsprechen. Grundsätzlich ist es für die energetische Effizienz einer Wärmepumpe von Vorteil, wenn das Temperaturniveau des Heizwärmeträgers möglichst wenig über dem der Wärmequelle liegt. Günstig ist also eine niedrige Vorlauftemperatur und eine hohe Wärmequellentemperatur. 3.5.3.2 Funktionsweise

Kompressionswärmepumpe Bei der Kompressionswärmepumpe handelt es sich meist um eine Kaltdampfkompressionsmaschine mit geschlossenem Kältemittelkreislauf und mechanischem Verdichter. Sie ist am Wärmepumpenmarkt am weitesten verbreitet; das prinzipielle Anlagenschema zeigt Abb. 3.14a. Als Arbeitsmedium kommen Flüssigkeiten mit niedrigen Siedepunkten, wie z.B. das Kältemittel R122 oder Propan in Frage. Eine Reihe von FluorChlor-Kohlenwasserstoffen (FCKW), die bis vor einigen Jahren in Kältemaschinen und Wärmepumpen verbreitet eingesetzt wurden, dürfen mittlerweile nicht mehr verwendet werden, da ihre schädlichen Wirkungen sowohl hinsichtlich des Ozonabbaues in der Erdatmosphäre als auch hinsichtlich der Absorption langwelliger Strahlung (Treibhauseffekt) erkannt worden sind. Der Kreisprozess ist aus dem lgp/h-Diagramm des jeweils als Arbeitsmedium verwendeten Kältemittels ersichtlich, s. Abb. 3.15. Die dem Kreisprozess zu- bzw. abgeführten Energiemengen stellen sich als Differen-

3.5 Heizungsanlagen

99

a) Kompressions - Wärmepumpe Verflüssiger

3

b) Absorptions - Wärmepumpe Verflüssiger

2

• Q2

“Arme Lösung”

• Q2

Austreiber

• QB

Wärmeaustauscher Drosselorgan

• W

Verdichter

Drosselorgan

Pumpe

• W

“Reiche Lösung”

• QAb Absorber Verdampfer

Verdampfer

1

4 • Q1

• Q1

Abb. 3.14. Anlagenschema von Wärmepumpen

zen der spezifischen Enthalpie auf der Abszisse des Diagramms dar. Die Verdampfungstemperatur des Kältemittels im Verdampfer liegt, bedingt durch den niedrigen Druck, unter der Temperatur der Wärmequelle.

Abb. 3.15. Kreisprozess der Kompressions-Wärmepumpe im logp/h-Diagramm

100

3 Raumheizung und Klimatisierung

Die Verdampfung mit anschließender Überhitzung läuft zwischen den Punkten 4 und 1 ab und ist mit einer Wärmeaufnahme verbunden. Der Druck bleibt dabei näherungsweise konstant. Der Verdichter saugt den Dampf an und verdichtet ihn auf den Punkt 2. Dabei steigen Druck und Temperatur des Arbeitsmediums an, und es wird die Treibenergie aufgenommen. Der anschließende Teilprozess zwischen den Punkten 2 und 3 ist mit Wärmeabgabe verbunden. Der Kältemitteldampf wird dabei zunächst von der Verdichtungsendtemperatur (auch Heißgastemperatur genannt) im Punkt 2 auf die Sattdampftemperatur im Punkt 2a abgekühlt. Während der Kondensation zwischen den Punkten 2a und 3a bleibt diese Temperatur (Kondensationstemperatur) dann konstant. Wird dem flüssigen Kältemittel (von 3a nach 3) noch weiter Wärme entzogen, so spricht man von Unterkühlung. Ein kleiner Teil der insgesamt abgegebenen Wärme wird ! hauptsächlich über die heiße Rohrleitung zwischen Verdichter und Kondensator ! an die Umgebung abgeführt und ist somit nicht für die Heizung nutzbar. Durch die Drosselung (Expansion) von Punkt 3 nach 4 werden Druck und Temperatur des Kältemittels auf den Ausgangszustand abgesenkt. Dieser Vorgang ist nicht mit einem Energieaustausch verbunden. Als Verdichter werden, je nach Durchsatzleistung und Druckverhältnis, Tauchkolben-, Drehkolben-, Schrauben- und Turbomaschinen eingesetzt. Je nach Art des mechanischen Antriebs kann unterschieden werden nach elektromotorischen und verbrennungsmotorischen Kompressionswärmepumpen. Ebenfalls möglich, jedoch selten im Einsatz sind Dampfmotoren, Gas-, Dampf- und Entspannungsturbinen. Eine Regulierung der Leistung ist bei einer Kompressionswärmepumpe nur möglich über eine Veränderung des Kältemitteldurchsatzes. Die hierfür in erster Linie in Betracht kommende Veränderung der Verdichterdrehzahl wird bei kleineren Elektro-Wärmepumpen aus Kostengründen nur vereinzelt angewendet. Ansonsten wird die Wärmeerzeugung an den jeweiligen Bedarf durch taktweisen Ein-Aus-Betrieb angepasst, wofür meist die Rücklauftemperatur im Heizungssystem als Regelgröße dient. Je geringer der Wärmebedarf der Heizungsanlage gerade ist, desto kürzer sind die Einschaltdauern des Wärmepumpenantriebs. Dabei wirkt sich zusätzlich ungünstig aus, dass bei diesen Teillastbedingungen normalerweise die Heizwassertemperaturen niedriger und gleichzeitig die Wärmequellentemperaturen höher sind als im Auslegungsfall des größten Wärmebedarfs. Dadurch vergrößern sich die Wärmeflüsse in Verdampfer und Kondensator mit der Folge, dass die stationäre Leistung der Wärmepumpe sogar größer ist als im Auslegungspunkt, so dass die Einschaltdauern sich dadurch noch zusätzlich verkürzen. Kurze Einschaltdauern wirken sich jedoch ungünstig auf die Lebensdauer des Ag-

3.5 Heizungsanlagen

101

gregates aus. Dies ist mit ein Grund dafür, weshalb man Kompressions-Wärmepumpen häufig mit einem Pufferspeicher im Heizwasserkreis ausstattet. Des weiteren dient diese Maßnahme zur Vergleichmäßigung der Wärmelieferung in die zu beheizenden Räume. Bei der Thermokompressionswärmepumpe wird die Verdichtung des Arbeitsmediums (Wasserdampf) durch Injektion eines Dampfstrahls von hohem Druck bewirkt. Dieses System kommt hauptsächlich zur industriellen Wärmerückgewinnung zum Einsatz und wird auch als Brüdenverdichtung bezeichnet. Absorptionswärmepumpe Die Absorptionswärmepumpe, s. Abb. 3.14b, besitzt ebenfalls einen geschlossenen Kältemittelkreislauf. Die Druckerhöhung des Kältemittels wird hier jedoch nicht in einem Verdichter bewerkstelligt, sondern durch einen Lösungsmittelkreislauf. Die meistverwendete Stoffpaarung ist Ammoniak als Kältemittel und Wasser als Lösungsmittel. Beide Kreisläufe werden durch die Pumpe umgewälzt, die im Gegensatz zum Verdichter der Kompressionswärmepumpe kein Gas verdichten muss, sondern nur die flüssige „reiche Lösung“ vom unteren auf das obere Druckniveau zu bringen hat. Der Energieverbrauch dieser Pumpe spielt für die Energiebilanz des Systems folglich keine nennenswerte Rolle. Die den Prozess treibende Energie wird nämlich nicht in Form von mechanischer Arbeit zugeführt, sondern in Form von Wärme im Austreiber. Dies kann mittels direkter Befeuerung, meist durch einen Gasbrenner geschehen, oder durch Wärmezufuhr auf relativ hohem Temperaturniveau, z. B. von einem Abwärmeträger. Mit dieser Energie wird das Kältemittel verdampft und somit aus der kochenden Lösung ausgetrieben. Die restlichen Teilprozesse des Kältemittels, nämlich die Kondensation unter Wärmeabgabe im Verflüssiger, die isenthalpe Drosselung im Drosselorgan und die Verdampfung unter Wärmeaufnahme, sind prinzipiell gleich wie bei der Kompressionswärmepumpe. Die aus dem Austreiber kommende „arme Lösung“ befindet sich auf Siedetemperatur und wird daher über einen Wärmeaustauscher geleitet, um die reiche Lösung vorzuwärmen. Anschließend wird die „arme Lösung“ ebenfalls über ein Drosselorgan geführt und geht danach in den Absorber. Dort wird der aus dem Verdampfer kommende Kältemitteldampf absorbiert, wobei die Lösungswärme freigesetzt und ebenfalls an den zu beheizenden Wärmeträger abgegeben wird. Der Anlagenaufbau ist komplizierter als bei Kompressionswärmepumpen, allerdings weniger verschleißträchtig. Daher ist nach (VDI 2067, Blatt 6) für die durchschnittliche Lebensdauer von Absorptionswärmepumpen ein Wert von 20 Jahren anzunehmen.

102

3 Raumheizung und Klimatisierung

Es gibt ein- und mehrstufige Anlagen. Einstufige Absorptionsanlagen finden ihren Einsatz im Bereich hoher Abwärmetemperaturen (z.B. Prozesswärme mit Temperaturen von 150 bis 200EC) und kleinen Temperaturspreizungen bis ca. 15 K sowohl der Wärmequelle als auch der Wärmesenke. Die Senkenaustrittstemperatur liegt im Bereich von 40 bis 60EC, in einigen Fällen auch bei 90EC. Mehrstufige Absorptionsanlagen werden bei großen Temperaturspreizungen von Wärmequelle und Wärmesenke und großen Schwankungen in der Wärmebereitstellung oder im Wärmebedarf eingesetzt. Sie ermöglichen eine Senkenaustrittstemperatur bis zu 100EC. Absorptionswärmepumpen werden derzeit im Leistungsbereich von 20 bis 40 kWth in Serie gefertigt. Die Jahresheizzahlen (s. Abschn. 3.5.3.3) von gasbetriebenen Absorptionswärmepumpen liegen zwischen 1,1 und 1,4. 3.5.3.3 Energetische Effizienz

Die energetische Effizienz von Wärmepumpen wird durch Kenngrößen beschrieben, wie sie analog auch bei Kältemaschinen verwendet werden. Tabelle 3.2 gibt die gebräuchlichsten Bezeichnungen und Definitionen wieder. Tabelle 3.2.

Energetische Kenngrößen bei linksläufigen Kreisprozessen Wärmepumpe

CARNOTLeistungszahl

ε C,W =

TKond TKond − TVerd

ProzessLeistungszahl

ε P,W =

h2 − h3 h2 − h1

AnlagenLeistungszahl

ε A,W =

Q Heiz PZu

(System-) Arbeitszahl

β S,W =

QHeiz WZu

17

Kältemaschine

ε C,K = ε P,K =

TVerd (3.29) TKond − TVerd

h1 − h4 h2 − h1

)

ε A,K =

Q Kühl PZu

)

β S,K =

QKühl WZu

17

17

(3.30)

17

)

17

)

(3.31)

(3.32)

Zugeführte Leistung bzw. Energie einschließlich Zusatzverbraucher (z.B. Solepumpe, Steuerung)

3.5 Heizungsanlagen

103

Bei der Wärmepumpe liegt der Ertrag auf der „warmen“ Seite, bei der Kältemaschine auf der „kalten“ Seite. Leistungszahlen setzen Leistungen zueinander ins Verhältnis und beziehen sich somit auf einen momentanen Zustand. Man unterscheidet folgende Arten: • Die CARNOT-Leistungszahl bezeichnet die Effizienz des entsprechenden CARNOT-Prozesses, d.h. unter idealen Bedingungen zwischen zwei festen Temperaturniveaus. Hierfür werden die Verdampfungs- und die Kondensationstemperatur des Arbeitsmediums eingesetzt. • Die Prozess-Leistungszahl ergibt sich aus den Enthalpieänderungen des Arbeitsmediums unter Berücksichtigung der tatsächlichen Zustandspunkte 1 bis 4. Wegen des einheitlichen Massenstroms ist eine einfache Bestimmung aus dem lgp/h-Diagramm (vgl. Abb. 3.15) möglich. • Die Anlagen-Leistungszahl basiert auf den Energien, die mit der Wärmequelle und der Wärmesenke (Heizkreislauf) tatsächlich je Zeiteinheit ausgetauscht werden, sowie der dem Motor bzw. dem Austreiber zugeführten Leistung. Außerdem wird der Leistungsbedarf von Zusatzverbrauchern wie Solepumpe, Luftgebläse und Steuerung berücksichtigt. Bei Wärmepumpen spricht man in diesem Zusammenhang auch von der Heizleistungszahl (bei Kältemaschinen von der Kälteleistungszahl). Dagegen ist die Arbeitszahl (Heiz- bzw. Kältearbeitszahl) der Quotient zweier Energiemengen, so dass sich damit die Verhältnisse über einen Betrachtungszeitraum, wie z.B. eine Heizperiode oder ein Jahr beschreiben lassen. Als System-Arbeitszahl wird sie analog zur Anlagen-Leistungszahl berechnet. 3.5.3.4 Wärmequellen

Außenluft Ein Vorteil der Außenluft als Wärmequelle ist ihre universelle Verfügbarkeit und leichte Erschließbarkeit. Die Luft wird entweder über Luftkanäle zu der im Heizungskeller stehenden Wärmepumpe mittels Ventilator angesaugt und nach der Abkühlung im Verdampfer wieder nach draußen geleitet, oder der Verdampfer wird samt Ventilator im Freien aufgestellt und über Kältemittelleitungen mit der Wärmepumpe im Heizungskeller verbunden („Split-Gerät“). Der beim Abkühlen der Luft im Verdampfer erzielte Wärmegewinn stammt zum Teil aus der Kondensation des in der Luft enthaltenen Wasserdampfes (latente Wärme). Je nach Temperatur, Feuchte und Abkühlspanne der Luft kann dieser Anteil etwa zwischen 10 und 30 % liegen.

104

3 Raumheizung und Klimatisierung

Ein Nachteil sind die starken jahres- und tageszeitlichen Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen der Außenluft sowie ihre geringe spezifische Wärmekapazität. Mit sinkender Außentemperatur steigt einerseits der Wärmebedarf der zu beheizenden Räume, andererseits gehen die Leistungszahl und die Heizleistung einer Luft/Wasser-Wärmepumpe zurück. Ein weiterer Nachteil bei der Nutzung von Außenluft ist die Vereisung am Verdampfer bei niedrigen Außentemperaturen. Infolge des Eisansatzes nimmt der Luftstrom bei lamellenberippten Verdampfern ab, außerdem erhöht sich der Wärmedurchgangswiderstand. Beides führt zu einer Verschlechterung der Leistungs- bzw. Heizzahl der Wärmepumpe. Bis herab zu einer Temperatur von +5 °C reichen normalerweise die Stillstandszeiten der Wärmepumpe noch aus, um das Eis abzutauen. Bei tieferen Temperaturen tritt eine Abtauvorrichtung (elektrisch, Heißgas-Bypass, Kreislaufumkehr) in Funktion. Aufgrund dieser Nachteile werden Luftwärmepumpen in der Regel bivalent, d.h. mit einer Zusatzheizung für Außentemperaturen unterhalb von 0 bis 3 °C, betrieben. Einige Hersteller bieten dafür Kombigeräte mit integriertem Heizkessel an. Erdreich Als Erdreich wird üblicherweise die Verwitterungszone an der Erdoberfläche mit einer Dicke von 3 bis 5 m bezeichnet. Im Jahresmittel liegt die Temperatur in unseren Breiten zwischen 9 und 11°C. Das Erdreich speichert Wärme durch Sonnenstrahlung und Feuchtigkeit und gibt sie bei kälterer Luft wieder an diese ab. Daraus resultiert eine jahreszeitliche Schwankung der Erdreichtemperaturen, die in oberflächennahen Schichten deutlich über 10 K liegt. In Tiefen von mehreren Metern geht diese Schwankung rasch bis auf Null zurück. Ein Gefrieren des Erdreichs kommt hierzulande normalerweise nur bis zu einer Tiefe von etwa 1 m vor. Die Speicherfähigkeit und somit die mögliche Wärmeabgabe des Erdreichs hängen außer von der Bodenbeschaffenheit auch ab von den meteorologischen Gegebenheiten (Außenlufttemperaturen, Niederschläge). Die Nutzung der Erdreichwärme erfolgt über Wärmetauscher, die geometrisch nach horizontalen (ein- oder zweilagigen) und vertikalen Wärmetauschern (Erdsonden) sowie Grabenkollektoren unterschieden werden können. In tieferen Schichten herrschen niedrigere Temperaturen. Da dort die Wiederaufheizung des Bodens nach einem Wärmeentzug länger dauert, kann dies sogar zu Dauerfrost führen. Die Arbeits- und Leistungszahlen sind deshalb im allgemeinen niedriger als bei der Nutzung der Wärme aus den höheren Erdreichschichten. Allerdings sind die Bedingungen des Wärmeentzuges konstanter und daher das Wärmepumpensystem leichter optimierbar.

3.5 Heizungsanlagen

105

Horizontale Wärmetauscher werden in 1,2 bis 1,5 m Tiefe im unbebauten Boden verlegt. Dabei gilt als Faustregel, dass die genutzte Erdfläche etwa das Ein- bis Zweifache der zu beheizenden Fläche beträgt. Die Ausführung erfolgt als Rohrregister oder in Form von einzelnen Rohren aus Kunststoff in möglichst unmittelbarer Nähe des zu beheizenden Gebäudes. Dabei ist ein Mindestabstand von 1 m zwischen Wärmetauscher und Gebäude vorgeschrieben, damit im Winter keine Bauschäden durch den auftretenden Frost entstehen. Die Rohre bestehen meist aus Polyethylen (PE) oder Polybutylen (PB). Diese Kunststoffe weisen eine gute Wärmeleitfähigkeit auf und erfüllen die Forderungen nach Alterungs- und Korrosionsbeständigkeit sowie Druckfestigkeit (wichtig wegen der Belastung durch Eismäntel). Meist werden die Rohre in eine Sandschicht von 5 bis 10 cm eingebettet, um Beschädigungen (z.B. Quetschen) der Leitungen zu vermeiden. Aus 1 m2 Erdreich können während der Heizsaison rund 100 kWh Wärme entzogen werden, die Jahresarbeitszahlen liegen zwischen 2,4 und 2,8 (inkl. des Energiebedarfs der Soleumwälzpumpe) bei richtig konzipierten Wärmetauschern. Vertikale Erdsonden zeichnen sich durch extrem geringen Flächenbedarf aus, sind jedoch durch die aufwendige Verlegetechnik teuerer. Die Wärmetauscher aus Kunststoff- oder Metallrohren werden vertikal bis zu Tiefen von 30 bis 100 m und mehr verlegt. Voraussetzung für die Planung und Einbringung einer Erdsonde ist eine umfassende Kenntnis der Bodenbeschaffenheit, der Schichtenfolge, des Bodenwiderstandes sowie der hydrogeologischen Gegebenheiten (Vorhandensein von Grund- oder Schichtenwasser mit Wasserstands- und Fließrichtungsbestimmung). Reicht die Sonde in eine Zone mit fließendem Grundwasser, so kann dadurch eine laufende Nachlieferung der entzogenen Wärme stattfinden. Ansonsten besteht die Gefahr, dass die den tieferen Schichten entzogene Wärme im Sommer nicht mehr regeneriert werden kann, so dass sich permanent „kalte Zonen“ bilden. Dies führt zu einer schlechteren energetischen Effizienz der Wärmepumpe. Bei der Wärmenutzung über Grabenkollektoren werden die Rohre mit geringem Abstand zueinander in einem ca. 3 m tiefen und rund 3 m breiten Graben verlegt. Hiermit kann der Wärmebedarf bei richtiger Auslegung das ganze Jahr über gedeckt werden. Jahresarbeitszahlen zwischen 2,5 und 2,8 sind erreichbar. Die Wärmenutzung aus dem Erdreich erfolgt entweder über eine umweltverträgliche, nicht einfrierende Sole. Ein Durchsatz von mindestens 0,5 m3/h je kW Wärmeentzugsleistung hält die Temperaturspreizung unterhalb von 2 K. Die Sole transportiert die aufgenommene Wärme zum

106

3 Raumheizung und Klimatisierung

Verdampfer im Wärmepumpenaggregat. Als Sole eignet sich z.B. Wasser, das mit einem Zusatz bis !20 EC frostsicher gemacht ist. Die andere Möglichkeit der Wärmenutzung aus dem Boden ist die „Direktverdampfung“. Das Kältemittel wird hierbei direkt durch den im Erdreich befindlichen Verdampfer geführt. Der Verdampfer kann vertikal, horizontal oder schräg ins Erdreich eingesetzt werden. Durch den Wegfall des Solekreislaufs ist unter sonst gleichen Bedingungen eine höhere Verdampfungstemperatur erreichbar. Dadurch und wegen der Einsparung des Energieverbrauchs der Sole-Umwälzpumpe, erhöht sich bei dieser Technik die Arbeitszahl um 10 bis 15 %. Um das Grundwasser nicht zu gefährden, müssen spezielle Verdampferrohre eingesetzt werden. Außerdem muss bei der Wahl des Kältemittels darauf geachtet werden, dass bei einer evtl. doch auftretenden Undichtigkeit keine Gefahr für das Grundwasser besteht. Negative Umweltauswirkungen sind bei der Wärmenutzung aus dem Erdreich nicht zu erwarten, wenn die im Boden verlegten Wärmetauscher genügend groß ausgelegt werden. Die Erfahrungen aus über 30 Jahren zeigen, dass die Erdreichnutzung eine zuverlässige Wärmeversorgung gewährleistet und dabei kaum negative Auswirkungen auf die Vegetation hat. Zwar kann es vorkommen, dass der Schnee länger liegen bleibt als in der Umgebung und die Frühjahrsvegetation zeitlich leicht verzögert ist, in der Sommervegetation sind allerdings keine Unterschiede festzustellen. Über eine notwendige wasserrechtliche Erlaubnis beim Einsatz von Erdreichwärmepumpen informiert die zuständige Wasserbehörde. Wasser stellt durch seine hohe spezifische Wärme und die gute Wärmeleitfähigkeit eine hervorragende Wärmequelle für Wärmepumpen dar. Zu unterscheiden ist nach Grund- und Oberflächenwasser. Die Temperatur des Grundwassers unterliegt ähnlichen Einflüssen wie das Erdreich. In 10 m Tiefe liegt die Grundwassertemperatur je nach Jahreszeit zwischen rd. +8 bis +12 EC. Ab einer Tiefe von 15 m gibt es keine jahreszeitlichen Schwankungen mehr. Die Temperatur des abgekühlten Wassers sollte ca. 5 EC nicht unterschreiten. Für die Grundwassergewinnung und -rückführung sind ein Förderbrunnen sowie ein Schluck- oder Sickerbrunnen erforderlich. Eventuell besteht auch die Möglichkeit, das Wasser in das Abwassernetz einzuleiten. Dafür sind jedoch Kanalgebühren zu entrichten. Für die Effizienz der Wärmepumpe ist die Höhe des Grundwasserspiegels ausschlaggebend. Je höher der Wasserspiegel, umso geringer ist die notwendige Förderarbeit der Wasserpumpe der Wärmequellenanlage und umso

3.5 Heizungsanlagen

107

höher die Arbeitszahl. Die Nutzung von Grundwasser ist in jedem Fall genehmigungspflichtig. Geeignete Grundwasserströme sind oft nur schwer zu finden; ihre Erschließung ist meist mit hohen Kosten verbunden. Eine Wasseranalyse ist unabdingbar. Ist der Anteil an Eisen, Mangan oder die Leitfähigkeit zu hoch, ist wegen der zu erwartenden Korrosion des Wärmetauschers und Verockerung des Schluckbrunnens von einer Nutzung abzusehen. Auch die Ergiebigkeit des Grundwassers sollte im Vorfeld durch einen Pumpversuch abgeklärt werden. Bei der Nutzung von Oberflächenwasser fallen hohe Kosten an für Ein- und Auslaufbauwerke sowie den Transport von Rohwasser oder Sole zur Heizzentrale. Da dieser Aufwand nur wenig von der Leistungsgröße der Anlage abhängt, stellen Oberflächengewässer trotz ihres großen Potentials an nutzbarer Wärme nur in Fällen dichter Bebauung in Gewässernähe eine brauchbare Wärmequelle für Wärmepumpenheizungen dar. 3.5.3.5 Betriebsarten und Auslegung

Die Betriebsart einer Wärmepumpe hat maßgeblichen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit. Folgende Betriebsarten können unterschieden werden: Monovalenter Betrieb Die Wärmepumpe deckt den gesamten Wärmebedarf ohne zusätzlichen Wärmeerzeuger. Als Wärmequellen sind Grundwasser und Erdreich geeignet, da sie im Jahresverlauf kaum Temperaturschwankungen aufweisen. Bei der Nutzung von Außenluft ist eine monovalente Betriebsweise im allgemeinen unwirtschaftlich, da wegen der großen Temperaturdifferenz zwischen Wärmequellen und Heizwasser im Winter sehr niedrige Leistungszahlen auftreten. Bivalent-Alternativer Betrieb Bei dieser Betriebsart deckt die Wärmepumpe den Wärmebedarf bis zu einem bestimmten, durch die Außentemperatur bestimmten Umschaltpunkt („Bivalenzpunkt“), bei tieferen Temperaturen übernimmt der Zusatzkessel die Bedarfsdeckung allein. Die Umschaltung kann auch automatisch durch ein Rundsteuersignal des EVU erfolgen. In Abb. 3.16 sind die Betriebsanteile von Wärmepumpe und Zusatzkessel in der Jahresdauerlinie der Heizleistung dargestellt. Die Teilflächen geben die Anteile der erzeugten Heizwärmemenge wieder. Üblicherweise wird beim alternativen Betrieb die Wärmepumpe auf eine Heizleistung von etwa der Hälfte der maximal erforderlichen Heizleistung dimensioniert. Der Zu-

108

3 Raumheizung und Klimatisierung

satzheizkessel muss auf die maximal erforderliche Heizleistung ausgelegt sein. Wie aus Abb. 3.17 hervorgeht, kann die Wärmepumpe bei halber Leistungsdimensionierung bereits mehr als 80 % der Heizwärme liefern. Der Rest wird durch die Zusatzheizung aufgebracht. Diese Betriebsart hat sich bei der Nutzung der Wärmequelle Außenluft allgemein durchgesetzt. Bivalent-Alternativ

Bivalent-Parallel 26-451-A-05 26-451-A-05

Zusatzkessel Bivalenzpunkt

Heizleistung

Heizleistung

Bivalenzpunkt

ZusatzKessel Wärmepumpe

0

Wärmepumpe

0

Zeit

0

Zeit

0

Abb. 3.16. Bivalente Betriebsarten von Wärmepumpen 1 26-452-A-05 26-452-A-05

0,9 0,8

Leis

0,7

Deckungsanteil für Betriebsart: bivalent … … parallel

tung s a nt eil

… alternativ

0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 -10

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

Bivalenzpunkt in °C

Abb. 3.17. Leistungs- und Deckungsanteil bei bivalentem Wärmepumpenbetrieb (nach DIN V 4701-10)

5

3.5 Heizungsanlagen

109

Bivalent-Paralleler Betrieb Beim parallelen Betrieb wird unterhalb einer bestimmten, festgelegten Temperatur („Bivalenzpunkt“) der Wärmebedarf gleichzeitig durch die Wärmepumpe und ein Zusatzsystem gedeckt. Der Wärmepumpenvorlauf wird dabei in den Kesselrücklauf eingespeist, im Kessel wird das Heizungswasser weiter erwärmt und danach über ein Dreiwege-Mischventil dem Heizungsnetz zugeführt. Der Rücklauf der Heizung geht direkt zum Kondensator der Wärmepumpe. Bei dieser Betriebsweise muss darauf geachtet werden, dass • die maximal zulässige Kondensationstemperatur nicht überschritten wird (infolge zu hoher Rücklauftemperatur des Heizwassers), und • die minimale Verdampfungstemperatur nicht unterschritten wird (infolge zu niedriger Temperatur der Wärmequelle), da in beiden Fällen die Wärmepumpe abschaltet. Die Deckungsrate der Wärmepumpe am Jahreswärmebedarf ist bei gleicher Umschalttemperatur noch bedeutend höher als im alternativen Betrieb, wie ebenfalls aus Abb. 3.17 hervorgeht. Allerdings ist die Jahresarbeitszahl niedriger, da die Wärmepumpe auch an kalten Tagen in Betrieb ist, an denen sie wegen der größeren notwendigen Temperaturanhebung geringere Leistungszahlen erreicht. Damit ist auch ein Rückgang der Heizleistung der Wärmepumpe verbunden, was in Abb. 3.16 am Abfallen der Grenzlinie zwischen den beiden Flächenteilen links vom Umschaltpunkt ersichtlich ist.

3.6

Raumlufttechnische Systeme, Klimatisierung

3.6.1

Systeme und ihre Anwendung

Bei der Raumheizung kann die Raumtemperatur nur während der Heizperiode auf dem geforderten Sollwert gehalten werden. Dagegen ermöglicht die Klimatisierung durch raumlufttechnische (RLT-) Systeme, • die Raumlufttemperatur während des gesamten Jahres innerhalb der vorgegebenen Grenzen zu halten, und darüber hinaus • einen aus hygienischen Gründen erforderlichen Luftaustausch im Raum zu gewährleisten, • die Luft zu reinigen, • die Luftfeuchte zu regulieren, und • die Luftbewegung zu steuern.

110

3 Raumheizung und Klimatisierung

Daher müssen für die Klimatisierung die Fragen sowohl des Wärme- und Kältebedarfs als auch der Zustandsänderungen der Luft betrachtet werden. Die Klimatisierung ist bereits heute auch in gemäßigten Breiten für Großbauten wegen der Entwicklung freier Wärme durch Personen, Beleuchtung und Maschinen und wegen der Forderung an die Luftreinheit und den Schallschutz vielfach unumgänglich. Im Wohnbereich dagegen hat sie bis heute keinen wesentlichen Einfluss. Klimaanlagen finden im wesentlichen auf zwei Gebieten Verwendung: Komfort-Klimaanlagen (auch als "Human-Klimaanlagen" bezeichnet), dienen zur Erzeugung günstiger Luftzustände für Aufenthaltsräume aller Art, wie Theater, Versammlungsräume, Schulen, Krankenhäuser, Verkaufsräume usw. Industrie-Klimaanlagen haben die Aufgabe, den für die Fabrikation bzw. die Lagerung von Gütern günstigsten Luftzustand herzustellen. Zu den Branchen, in denen das besonders wichtig ist, zählen die Nahrungsmittel-, Textil- und Papierindustrie sowie eine Vielzahl anderer Zweige, in denen hygroskopische Materialien verarbeitet werden. Hinsichtlich des technischen Konzeptes zentraler Klimaanlagen gibt es eine Reihe unterschiedlicher Systeme, wie in Abb. 3.18 gezeigt ist. Gemeinsames Merkmal ist die Klimazentrale, deren wichtigste Funktionen (Filterung, Vorwärmung, Kühlung, Befeuchtung, Nachwärmung sowie Förderung der Luft) schematisch in Abb. 3.19 dargestellt sind. Zum Zweck der Energieeinsparung gibt es in der Klimazentrale zwei Möglichkeiten: RLT-Anlage

Nur-Luft

Einkanal

Luft-Wasser

Terminale Zuluftbehandlung

Zweikanal

Individuelle Raumluftbehandlung

26453-A-05 26453-A-05

Einzonen

mit variablem Vol.-strom (VVS)

Mehrzonen

mit zentraler Nachwärmung

mit Wechselklappen

Abb. 3.18. Technische Konzepte von RLT-Anlagen

InduktionsGerät

VentilatorKonvektor

3.6 Raumlufttechnische Systeme, Klimatisierung

111

Fortluft 26454-A-05 26454-A-05

Wärmerückgewinnung Abluftventilator

Abluftkanal Frischluft

Nachwärmer

Befeuchter

Kühler

Filter

Klappe

Vorwärmer

Umluft

vom Raum

Zuluftventilator

Zuluftkanal

zum Raum

Abb. 3.19. Schema einer Klimazentrale

• Umluftbeimischung, soweit unter lufthygienischen Aspekten möglich, • Wärmerückgewinnung, rekuperativ (basierend auf Wärmedurchgang durch die Wände des Wärmeaustauschers) oder regenerativ (basierend auf der periodischen Aufnahme und Abgabe von Wärme und z.T. auch Feuchte durch Speichermassen, entweder in der Form eines langsam drehenden Rades oder als zirkulierender Flüssigkeitskreislauf, letzteres z.T. unter zusätzlicher Integration einer Wärmepumpe). Nur-Luft-Klimaanlagen sind dadurch gekennzeichnet, dass die Luft zentral aufbereitet und dann durch Kanäle in die zu klimatisierenden Räume gefördert wird, wo keine weitere Nachbehandlung stattfindet. Somit sind für die versorgten Räume keine weiteren Heiz- oder Kühlwasserinstallationen erforderlich, sofern nicht zusätzlich statische Heizkörper vorgesehen werden. Der hohe Platzbedarf für die Luftkanäle kann verringert werden durch die sog. „Hochgeschwindigkeits“- oder „Hochdruck“-Anlagen. Diese arbeiten gegenüber den „Niederdruck“-Anlagen mit höheren Luftgeschwindigkeiten (heute 10 bis 14 m/s) in den Kanälen sowie meist auch mit größeren Temperaturspreizungen (heute 10 bis 12 K) zur Raumluft, und kommen dadurch für gleichen Luftmengenstrom mit geringeren Kanalquerschnitten aus. Dafür müssen die Ventilatoren wesentlich höhere Drücke erzeugen (1000 bis 2000 Pa), was den Stromverbrauch in die Höhe treibt. Für den Übertritt der Luft vom Hochdruck-Kanal in den Raum sind besondere Luftauslässe mit Entspannungseinrichtungen erforderlich, um Geräuschprobleme zu vermeiden.

112

3 Raumheizung und Klimatisierung

Bei der Zweikanal-Anlage gibt es eine separate Warmluft- und Kaltluftverteilung. Jeder einzelne Raum bzw. jeder Luftauslass erhält über einen Mischkasten Anschluss an beide Kanäle. Entsprechend der jeweiligen Anforderung wird jedem Raum eine dosierte Mischung aus Warm- und Kaltluft zugeführt. Dadurch ist dieses Konzept besonders geeignet für die Klimatisierung großer Gebäude mit unterschiedlichen Heiz- bzw. Kühlanforderungen der einzelnen Räume (z.B. wegen der Orientierung nach verschiedenen Himmelsrichtungen). Bei der Einkanal-Anlage ist dagegen jeder Raum an nur einen Kanal angeschlossen, so dass sich der Aufwand für das Zuluftverteilnetz halbiert. Nachteil dabei ist der einheitliche Zustand der den Räumen zur Verfügung stehenden Zuluft. Die einfachste Form als Einzonen-Anlage mit konstantem Volumenstrom der Zuluft kommt in erster Linie für Großräume wie Versammlungssäle, Kinos, Theater usw. in Frage. Für eine individuellere Versorgung einzelner Räume bzw. Bereiche mittels Einkanalanlagen gibt es zwei Möglichkeiten: • Anlagen mit variablem Volumenstrom (Variable Volume Systems) halten das Niveau der Zulufttemperatur auf üblicherweise 15 °C konstant, unabhängig von der Außentemperatur. Bei steigenden Kühllasten, etwa durch Beleuchtung oder Personen, wird der Zuluftstrom vergrößert; bei fallender Kühllast verringert. Regelgröße ist dabei die Raumtemperatur. Aus hygienischen Gründen soll der Zuluftstrom einen bestimmten Mindestwert nicht unterschreiten. Ein etwaiges Defizit an Heizwärme, das bei kleinen Zuluftströmen auftreten kann, muss durch statische Heizung im Raum ausgeglichen werden. Für eine stromsparende Betriebsweise muss die Drehzahl der Ventilatoren über Frequenzumrichter angepasst werden. • Bei Mehrzonen-Anlagen wird das gesamte Zuluftnetz in mehrere Stränge aufgeteilt, deren Luftzustände vor dem Austritt aus der Klimazentrale je nach Bedarf individuell variiert werden. Das kann entweder durch zentrale Nachwärmung (1 Heizregister je Strang) geschehen, oder aber durch ein Paar thermostatisch gesteuerter Wechselklappen je Strang. Hierbei wird, analog zum Zweikanalsystem, der für die jeweilige Zone erforderliche Zuluftzustand durch Mischung aus warmer und kalter Luft hergestellt. Bei den Luft-Wasser-Klimaanlagen gibt es außer der zentral aufbereiteten und verteilten „Primärluft“ auch Wasserkreisläufe, die einen Teil des Energietransportes zum Heizen bzw. Kühlen übernehmen. Bei der terminalen Zuluftbehandlung geschieht das in einem Wärmetauscher (üblicherweise nur als Nachwärmer) am Auslass der Zuluft in den Raum. Dagegen findet bei der individuellen Raumluftbehandlung der Wärmeaustausch in dezentralen Klimageräten statt. Diese werden außer von der Primärluft auch von Raum-

3.6 Raumlufttechnische Systeme, Klimatisierung

113

luft („Sekundärluft“) durchströmt. Im Induktionsgerät wird die Primärluft durch eine Düse geleitet und reißt durch ihre hohe Geschwindigkeit einen Sekundärluftstrom mit. Im Ventilatorkonvektor wird der Sekundärluftstrom durch einen eingebauten Ventilator erzeugt. Während es bei der terminalen Zuluftbehandlung nur einen Vor- und Rücklauf für das Heizwasser gibt (Zweileitersystem), kann die individuelle Raumluftbehandlung als Zweileiter- oder als Vierleitersystem gestaltet sein. Letzteres beinhaltet getrennte Kreisläufe für Heiz- und Kühlwasser und gewährleistet so ein Höchstmaß an Flexibilität hinsichtlich der individuellen Temperatureinstellung. Neben den Systemen mit zentraler Luftaufbereitung gibt es auch Konzepte, bei denen dezentrale Klimageräte die Raumluft im einzelnen Raum kühlen und z.T. auch entfeuchten. Es handelt sich dabei im Prinzip um eine Kältemaschine, die Abwärme wird entweder an die Außenluft oder an ein Wassernetz abgegeben. Häufig ist auch durch Umschaltung ein Betrieb als Wärmepumpe zur Heizung möglich. In Verbindung mit einem Vierleitersystem (Kühl- und Heizwasser) kann mit Hilfe solcher „Kleinwärmepumpen“ auch Energie zwischen verschiedenen Zonen eines Gebäudes verschoben werden. 3.6.2

Heiz- und Kühllast

Bei der Klimatisierung muss man unterscheiden zwischen den Heiz- und Kühllasten eines Raumes und dem Wärme- und Kältebedarf für die Zustandsänderungen der Luft. Im folgenden werden die Fragen der Heiz- und Kühllasten eines Raumes behandelt, während der Wärme- bzw. Kältebedarf für die Luftzustandsänderungen in 3.6.3 erörtert wird. Der Normwärmebedarf des Raumes bei Klimatisierung ist analog zum Normwärmebedarf bei der Raumheizung und wird nach DIN EN 12831 berechnet, vgl. Abschn. 3.3.3. Allerdings wird dabei kein Lüftungswärmebedarf durch die Fenster berücksichtigt, da dieser Wärmebedarf bei der Ermittlung der Luftzustandsänderungen mit erfasst wird. Die Kühllast eines Raumes wird nach VDI-Richtlinie 2078 ermittelt. Bei der Berechnung wird zwischen einer inneren und einer äußeren Kühllast unterschieden. Die innere Kühllast fällt durch die Abwärme von Maschinen, Beleuchtungskörpern u. ä. im Raum, aber auch durch die Wärmeabgabe von Menschen, an. Die äußere Kühllast entsteht durch das Außenklima, also Sonneneinstrahlung, Außentemperatur etc.. Während die innere Kühllast relativ einfach zu berechnen ist, gehorcht die äußere komplexen Zusammenhängen. Durch Addieren aller Wärmeströme erhält man die Gesamtkühllast

114

3 Raumheizung und Klimatisierung

zu einer bestimmten Zeit. Im Normalfall wird der Maximalwert im Juli liegen. Als maximale Auslegungstemperatur wird die höchste im Durchschnitt auftretende Außenlufttemperatur im Juli angesetzt. Für Deutschland sind dies • 32 EC bei Binnenklima und • 29 EC bei Küstenklima. Für die maximal auftretende Wasserbeladung wird ein Wert von 12 g/kg angenommen. 3.6.3

Zustandsänderungen der Luft

h,x-Diagramm nach MOLLIER Bei der Klimatisierung wird die Raumluft nicht nur in ihrer Temperatur, sondern auch bezüglich des Wasserdampfgehaltes verändert. Daher muss die Raumluft für die Berechnung von Zustandsänderungen als Zweistoffgemisch betrachtet werden. Feuchte Luft ist ein Gemisch aus Luft und Wasserdampf, auf das mit hinreichender Genauigkeit die Gesetze für ideale Gase Anwendung finden können. Der Gesamtdruck p des Gemisches setzt sich nach dem DALTONschen Gesetz zusammen aus dem Teildruck der trockenen Luft, pL,tr und dem Teildruck des Wasserdampfes, pW:

p = pL,tr + pW .

(3.33)

Für die rechnerische Betrachtung der Zustandsänderungen von feuchter Luft wählt man als Bezugsgröße die trockene Luft und definiert den Feuchtigkeitsgehalt der Luft durch die Wasserbeladung (verschiedentlich auch als „absolute Feuchte“ bezeichnet):

x=

mW , mL,tr

(3.34)

wobei mW die Feuchtigkeitsmenge und mL,tr die trockene Luftmenge jeweils in kg ist. Die Größe x ist das Maß für die Feuchtigkeitsmenge je kg trockener oder je (1 + x) kg feuchter Luft. Die Dimension von x ist also kg/kg; jedoch wird sie in h,x-Diagrammen wegen der günstigeren Größenordnung in g/kg angegeben. Aus dem Zustandsgesetz für ideale Gase

pV = mRT

(3.35)

3.6 Raumlufttechnische Systeme, Klimatisierung

115

ergibt sich

x=

pW pW RL ⋅ = 0, 622 ⋅ RW p − pW p − pW

(3.36)

mit RL = 287,1 J/kg/K: Gaskonstante der Luft; RW = 461,5 J/kg/K: Gaskonstante des Wasserdampfes. Bei gegebenem Gesamtdruck p besteht also ein fester Zusammenhang zwischen dem Partialdruck des Wasserdampfes, pW, und der Beladung x. Die Aufnahmefähigkeit der Luft für Wasserdampf ist begrenzt. Eine Luftmenge kann bei gegebener Temperatur maximal so viel Wasserdampf enthalten, dass dessen Teildruck gleich dem Sättigungsdruck (auch: Sattdampfdruck) pW,S ist. Dieser hängt mit der Temperatur über die Dampfdruckkurve pW,S(h) zusammen. Als (relative) Feuchte n bezeichnet man das Verhältnis zwischen Wasserdampfteildruck und Sättigungsdruck bei der betrachteten Temperatur h. Mit Gl.(3.36) wird

ϕ=

pW x p = ⋅ pW,S 0, 622 + x pW,S

(3.37)

berechenbar aus dem Gesamtdruck p, der Wasserbeladung x sowie dem Sättigungsdruck pW,S. Für völlig trockene Luft ist n = 0; für gesättigte Luft ist n = 1 (100 %). Zur Aufstellung und Auswertung von Energiebilanzen benötigt man die spezifische Enthalpie h der feuchten Luft in kJ/kg18. Mit 0 EC als Bezugspunkt errechnet sie sich für die Temperatur h aus

h = hL + xhW,vap ,

(3.38)

mit der spezifischen Enthalpie der trockenen Luft:

hL = cp, Lϑ

(3.39)

und der spezifischen Enthalpie des Wasserdampfes:

hW,vap = r0 + cp, W,vapϑ 18

(3.40)

Man beachte, dass die spezifische Gesamtenthalpie h genauso wie die Wasserbeladung x auf 1 kg trockener Luft bezogen ist.

116

3 Raumheizung und Klimatisierung

Hierin ist cp,L = 1,00 kJ/kg/K die isobare spezifische Wärmekapazität für trockene Luft, cp,W,vap = 1,86 kJ/kg/K die isobare spezifische Wärmekapazität für Wasserdampf, r0 = 2500 kJ/kg die spezifische Verdampfungsenthalpie des Wassers bei einer Temperatur von 0 EC. Die Werte der Wärmekapazitäten können im Temperaturbereich zwischen !60 und +100 °C konstant angesetzt werden. Trägt man in einem linearen Koordinatennetz die Enthalpie h auf der Ordinate und die Wasserbeladung x auf der Abszisse auf, so können die Temperatur h und die relative Feuchte n als Parameterwerte eingetragen werden. Um die Ablesegenauigkeit zu verbessern, wählt man ein schiefwinkliges Koordinatensystem, in welchem die h-Achse so geneigt ist, dass die Isotherme für h = 0 EC waagerecht wird. Diese Art der Darstellung des h,xDiagramms (s. Abb. 3.20) geht auf MOLLIER zurück. Für einen bestimmten Gesamtdruck p ist durch zwei der Veränderlichen h,

h, x, n der Zustand eines Wasserdampf-Luftgemisches eindeutig bestimmt. Die beiden anderen Größen lassen sich aus den Gln.(3.36 bis 40) berechnen. Mit zunehmender Temperatur vergrößert sich die Steigung der Isothermen gegenüber der Horizontalen. Oft findet man im MOLLIER-Diagramm noch einen Randmaßstab, der für Zustandsänderungen den jeweiligen Wert der Steigung dh/dx angibt. Das ist hilfreich für die Betrachtung von Vorgängen, bei denen sich Enthalpie und Wasserdampfgehalt ändern. Die Sättigungslinie (n = 1), auch Taupunktlinie genannt, trennt das ungesättigte Gebiet vom Nebelgebiet, in dem Wasser außer in dampfförmiger auch in flüssiger Phase existiert. Ein h,x-Diagramm ist immer für einen bestimmten Gesamtdruck spezifiziert (oft p = 1013 mbar, in Abb. 3.20: p = 1000 mbar). Bei geändertem Gesamtdruck ergeben sich andere Sättigungslinien und Linien gleicher relativer Feuchte. Auch der Zusammenhang zwischen Wasserdampfteildruck und Wasserbeladung ändert sich gemäß Gl.(3.36). Unverändert bleibt hingegen die Lage der Isothermen. Als Gesamtdruck ist der tatsächliche Luftdruck zu verwenden, der je nach Wetter und Höhenlage unterschiedlich sein kann. In München ist der Luftdruck beispielsweise um 6 % niedriger als auf Meereshöhe. Einem Luftdruck

3.6 Raumlufttechnische Systeme, Klimatisierung

117

26-455-A-05 26-455-A-05

Abb. 3.20. h,x-Diagramm nach MOLLIER (Quelle: FH Ulm)

von 1013 mbar in Hamburg entspricht also ein Luftdruck von 952 mbar in München bei gleichen Wetterbedingungen. Das h,x-Diagramm ist ein sehr praktisches Hilfsmittel, um sich rasch einen Überblick über die Zustandsänderungen zu verschaffen, die in der Klimatechnik vorkommen. In Abb. 3.21 sind die wichtigsten Luftzustandsänderungen in ihrem tendenziellen Verlauf dargestellt. Erwärmung Wird Luft erwärmt (z.B. durch Kontakt mit einer Heizfläche), so verläuft die Zustandsänderung senkrecht nach oben, da die Wasserbeladung sich nicht ändert. Die Temperatur wird größer und die relative Feuchte kleiner. Abkühlung, Entfeuchtung Bei einer Abkühlung von Luft geht der Zustandsverlauf senkrecht nach unten (konstante Wasserbeladung). Die Temperatur nimmt ab und die relative Feuchte wird größer, bis der Taupunkt erreicht wird. Hier herrscht der Zustand der Sättigung (n = 100 %), die entsprechende Temperatur heißt “Taupunkttemperatur”. Kühlt die Luft unter die Taupunkttemperatur ab, so verläuft die weitere Abkühlung entlang der Sättigungslinie, wobei Wasserdampf kondensiert und als Wasser ausfällt. Die Wasserbeladung nimmt also dann ab, die Luft wird entfeuchtet.

118

3 Raumheizung und Klimatisierung

Sorptive Entfeuchtung

Erwärmung

Dampfbefeuchtung

Sprühbefeuchtung Abkühlung Entfeuchtung

26-455-B-05 26-456-B-05 26-455-B-05

Abb. 3.21. Zustandsänderungen von Luft im h,x-Diagramm

Erfolgt die Abkühlung der Luft an einer Kühlfläche, deren Temperatur unter der Taupunkttemperatur liegt, so kommt es dort auf jeden Fall zu einer lokalen Kondensation. Dies verringert die Wasserbeladung der Luft, auch wenn die Lufttemperatur insgesamt noch oberhalb der Taupunkttemperatur liegt (gestrichelter Verlauf). Sorptive Entfeuchtung Wird die Luft in Kontakt mit einem Sorptionsmittel gebracht, so bindet dieses einen Teil der Luftfeuchte in flüssiger Phase. Bei hygroskopischen Feststoffen (Salze, Silikagel, Molekularsiebe) handelt es sich um eine Oberflächenbindung (Adsorption), bei wässrigen Salzlösungen (LiCl, KCl) geht das Wasser in Lösung (Absorption). Zusätzlich zu der Verdampfungswärme wird auch noch Bindungsenergie freigesetzt, wodurch sich die Enthalpie der entfeuchteten Luft leicht erhöht. Die Temperatur steigt deutlich an. Die Regeneration des Sorptionsmittels (Desorption) erfolgt in der Regel durch Erhitzen. Dadurch wird das Wasser wieder ausgetrieben. Befeuchtung Beim Befeuchten verläuft die Zustandsänderung in einer Richtung, die durch die Verbindungsgerade zwischen dem Ordinatennullpunkt und dem zugehörigen Wert auf dem Randmaßstab für Δh/Δx gegeben ist.

3.6 Raumlufttechnische Systeme, Klimatisierung

119

Erfolgt die Befeuchtung durch Einspritzen von nicht erhitztem Wasser, so liegt dieser Wert bei weniger als 0,1 MJ/kg. Eine Wasserbefeuchtung ist also nahezu isenthalp, d.h. sie verläuft parallel zu den Linien konstanter Enthalpie in Richtung auf die Sättigungslinie. Die Temperatur der Luft sinkt, da die Verdampfungswärme für das zugeführte Wasser der Luft entzogen wird. In der Praxis lässt sich durch Wassereinspritzung eine relative Feuchte von maximal rd. 95 % erreichen. Bei einer Befeuchtung mit Dampf wird hingegen eine Enthalpie von rd. 2,7 MJ je kg Dampf zugeführt. Das hat zur Folge, dass sich die Temperatur dabei nur wenig ändert. Ausgleichsvorgänge Zwischen zwei unterschiedlichen Luftzuständen A und B kann ein Ausgleich auf folgende Arten stattfinden, s. Abb. 3.22: • Vermischung • Rekuperativer Wärmeaustausch • Regenerativer Wärmeaustausch

B Rekuperativer Wärmeaustausch

M A

Regenerativer Wärmeaustausch Vermischung

26-455-B-05 26-457-B-05 26-455-B-05

Abb. 3.22. Ausgleichsvorgänge zwischen unterschiedlichen Luftzuständen im h,x-Diagramm

Bei der Vermischung zweier Luftmengen liegt der Zustandspunkt M des Gemisches auf der Verbindungsgeraden der Zustandspunkte A und B. Die Position bestimmt sich aus dem Streckenverhältnis:

120

3 Raumheizung und Klimatisierung

AM ⋅ mA = BM ⋅ mB .

(3.41)

mA und mB sind hierbei die Massen trockener Luft. Die Mischungsgesetze lauten für die Enthalpie

mA hA + mB hB mA + mB

hM =

(3.42)

und für die Wasserbeladung

mA xA − mB xB . mA + mB

xM =

(3.43)

Für die Temperatur hM ist der analoge Zusammenhang nur angenähert gültig:

mAϑA − mBϑB . mA + mB

ϑM ≈

(3.44)

Beim rekuperativen Wärmeaustausch sind die beiden Medien durch eine Wärmeaustauscherfläche getrennt, durch die der Wärmestrom übertragen wird. Daher werden nur fühlbare thermische Energien ausgetauscht. Die Wasserbeladungen ändern sich dabei nicht, außer wenn bei der Abkühlung von B aus eine Kondensation an der Wärmeaustauscherfläche stattfindet. Bei Vernachlässigung äußerer Wärmeverluste gilt:

 A ∆hA = m  B ∆hB . m

(3.45)

Die sog. „Rückwärmzahl“ Φ drückt das Verhältnis der tatsächlichen Erwärmung bzw. Abkühlung zu dem theoretisch erreichbaren Wert aus, also

∆ϑA ϑB − ϑA

(3.46a)

∆ϑB . ϑB − ϑA

(3.46b)

ΦA = bzw.

ΦB =

A =m  B ) sind Aufwärm- und Im Falle gleicher Luftmassenströme ( m Abkühlspanne angenähert gleich ( ∆ϑA ≈ ∆ϑB ) 19, und damit auch die Rückwärmzahlen. 19

Vorausgesetzt, dass im Luftstrom B keine Kondensation stattfindet

3.6 Raumlufttechnische Systeme, Klimatisierung

121

Beim regenerativen Wärmeaustausch werden Speichermassen abwechselnd in Kontakt mit den beiden Luftströmen gebracht. Der zur Wärmerückgewinnung vielfach verwendete Rotationswärmeaustauscher nach dem System LJUNGSTRÖM besitzt ein sich langsam drehendes Rad mit einer wabenförmigen Struktur aus hygroskopischem Material. Dadurch wird ein Teil der Wasserbeladung ausgetauscht:

 A ∆ xA = m  B ∆xB . m

(3.47)

Somit ist ein solches System in der Lage, zusätzlich zu den fühlbaren auch latente thermische Energien auszutauschen. Die Aussagen nach Gln.(3.45 und 46) gelten auch in diesem Fall. 3.6.4

Energieverbrauch

Durch die Klimatisierung wird der Energiebedarf umschlossener Räume gegenüber dem reinen Heizbetrieb beträchtlich erhöht. Dabei gibt es, abhängig vom Anlagenkonzept und der Betriebsweise einer Klimaanlage, verschiedene Möglichkeiten, den Energieverbrauch zu beeinflussen. Günstig für den Energieverbrauch ist es grundsätzlich, den Frischluftanteil möglichst gering zu halten. Dies kann in gewissem Umfang dadurch bewirkt werden, dass ein Teil der Abluft nicht als Fortluft abgeführt wird, sondern der Frischluft beigemischt wird und so als Zuluft erneut in den Raum gelangt. Selbstverständlich muss dabei den lufthygienischen Erfordernissen Rechnung getragen werden. Für eine aktive Wärmerückgewinnung aus der Abluft werden heute verbreitet Rotationswärmetauscher eingesetzt. Da alle Klimaanlagen mit Kältemaschinen arbeiten, kann man diese auch als Wärmepumpe zur Wärmerückgewinnung nutzen. Der Jahresenergiebedarf für die Klimatisierung einer sowohl nach Süden als auch nach Norden orientierten Bürogruppe ist in Abb. 3.23 (Rouvel 1977) dargestellt. Dabei wird nach vier Bereichen der Energienutzung unterschieden, nämlich • • • •

Heizung Kühlung Ventilatoren, Maschinen u.ä. Beleuchtung.

Zugrundegelegt ist eine Klimatisierung mit Vierleiter-Induktions-Anlage. Zur Energierückgewinnung wird ein Regenerativ-Wärmetauscher in Verbin

122

3 Raumheizung und Klimatisierung

Abb. 3.23. Jahresflussdiagramm des Energiebedarfs (ohne Verluste) für einen Südund Nordraum, Klimatisierung durch Vierleiter-Induktionsanlage

dung mit dem Einsatz der Kältemaschine (KM) als Wärmepumpe (WP) verwendet. Eine Energierückgewinnung ist nicht nur beim Heizen, sondern auch beim Kühlen möglich, allerdings nur in sehr geringem Umfang. Bei der Kühlung ist vor allem die Reduzierung der maximalen Kühlleistung durch eine Energierückgewinnung interessant. Anders verhält es sich bei der Heizung. Nur 35 % des Nutzwärmebedarfs müssen durch Energiezufuhr gedeckt werden, davon 28 % in Form von Wärme und 7 % als elektrische Energie für die Kältemaschine im Wärmepumpenbetrieb. Ein Drittel des Nutzwärmebedarfs wird mit dem Regenerativwärmetauscher (RWT) zur Vorwärmung der Zuluft bis zur Taupunktenthalpie (vor Befeuchtung) gedeckt. In der Übergangszeit wird bei vollem Ausschöpfen der Wärmerückgewinnungsmöglichkeiten des RWT die Zuluft jedoch stärker als bis zur Taupunktenthalpie erwärmt. Dieses Problem wird durch Gegenkühlung gelöst: Die Überschusswärme in Höhe von 24 % wird in den Verdampfer der Kältemaschine eingespeist, welche somit als Wärmepumpe betrieben wird. Eine entsprechend der Wärmepumpen-Leistungszahl vergrößerte Menge Energie steht dann am Kondensator der Kältemaschine zur Verfügung. Das Tempera-

3.6 Raumlufttechnische Systeme, Klimatisierung

123

turniveau reicht aus für eine Einspeisung ins Warmwassernetz zur Nachheizung der Sekundärluft im Raum. Weitere 8 % des Nutzwärmebedarfs (der Nordräume) werden durch Ausnutzung der Abwärme der Kältemaschine im Kühlbetrieb (der Südräume) gedeckt. Die Energierückgewinnung führt dazu, dass die Bedeutung der Wärmebedarfsdeckung innerhalb des gesamten Energiehaushalts eines klimatisierten Gebäudes erheblich zurückgeht. Dafür steigt der elektrische Energiebedarf stark an.

4

Beleuchtung

Beleuchtung als Energiedienstleistung bezieht ihre Bedeutung in erster Linie aus der besonderen Rolle, die der Nutzenergieform Licht in den Wechselbeziehungen zwischen dem Menschen und seiner Umwelt zukommt. Licht vermittelt nicht nur optische Informationen, sondern übt auf den Menschen unmittelbar psychologische, ästhetische und physiologische Wirkungen aus (Hentschel 1994). Dem gegenüber ist die energiewirtschaftliche Bedeutung eher gering. Knapp 10 % des gesamten Stromverbrauchs in Deutschland werden für Beleuchtung verwendet. Große Unterschiede bestehen dabei zwischen den einzelnen Verbrauchersektoren. Entfallen in der Industrie nur rd. 5 % des Stromverbrauchs auf die Lichterzeugung, so sind es in den Haushalten rd. 8 % und im Sektor GHD gut 20 %. Betrachtet man die zeitliche Entwicklung des Stromverbrauchs für Beleuchtung, so stellt man ebenfalls deutliche Unterschiede zwischen den Verbrauchersektoren fest. Innerhalb eines Zeitraums von zehn Jahren lag das Wachstum in der Industrie bei 2,4 %p.a., im Sektor GHD bei 1,8 %p.a., in den privaten Haushalten dagegen lediglich bei 0,7 %p.a. Die generell steigenden Ansprüche an die Quantität und die Qualität der künstlichen Beleuchtung wurden vor allem im Haushaltssektor überlagert durch den Trend zu Lampen mit höheren Lichtausbeuten. Andere Endenergieträger als Strom werden zur Lichterzeugung nicht in nennenswertem Umfang eingesetzt.

4.1

Lichttechnische Grundlagen

Licht ist elektromagnetische Strahlung, die, wenn sie von einer Ausgangsfläche auf eine Empfängerfläche abgestrahlt wird, durch die physikalische Strahlungsleistung Φe beschrieben wird. Der Index e besagt, dass es sich dabei um eine energetische Größe handelt. Ihre Einheit ist Watt (W). Umfasst die Empfängerfläche den gesamten umgebenden Raum einer punktförmigen Lichtquelle, so entspricht die Strahlungsleistung der gesamten abgegebenen Strahlung dieser Lichtquelle über sämtliche Wellenlängen:

Φe =

∞

∫ Φ λ ⋅ dλ λ e

=0

[W]

(4.1)

126

4 Beleuchtung

Für die Definition der lichttechnischen Grundgrößen muss die spektrale Hellempfindlichkeit des menschlichen Auges berücksichtigt werden. Das Auge hat für die verschiedenen Wellenlängen unterschiedliche Hellempfindlichkeiten, abhängig zudem noch von der Adaption auf Hell- oder Dunkelsehen. Die höchste Hellempfindlichkeit der für das Tagsehen verantwortlichen farbempfindlichen Zapfen der Netzhaut liegt bei einer Wellenlänge von 555 nm. Für die Stäbchen, die bei geringer Helligkeit Schwarzweiß-Sehen ermöglichen, liegt die höchste Empfindlichkeit bei 507 nm. Normiert man diese Werte jeweils auf 100 % so ergeben sich für verschiedene Wellenlängen die relativen spektralen Hellempfindlichkeiten V(λ) für das Tagsehen und V'(λ) für das Nachtsehen, s. Abb. 4.1). Relative spektrale Empfindlichkeit

1,0 Tagsehen V(λ ) Nachtsehen V'(λ )

0,8

0,6

0,4

0,2 38150a07

0,0 380 400

480 500

580 600

680 700

780

Wellenlänge [nm]

Abb. 4.1. Spektrale Hellempfindlichkeit des menschlichen Auges

Die lichttechnischen Größen ergeben sich folglich durch die Bewertung der energetischen Strahlungsgrößen (die allgemein für elektromagnetische Strahlung gelten) mit der V(λ)-Abhängigkeit. Aus dem Strahlungsfluss oder der Strahlungsleistung Φe einer elektromagnetischen Quelle ergibt sich somit der Lichtstrom 780 nm

Φ = Km ⋅

∫

Φeλ ⋅ V ( λ ) ⋅ dλ [lm]

(4.2)

380 nm

Die Einheit des Lichtstroms ist Lumen (lm). Der konstante Faktor Km ist der Maximalwert des photometrischen Strahlungsäquivalents, bezogen auf die Wellenlänge des Maximums der relativen spektralen Hellempfindlichkeit. Wenn er nicht explizit angegeben ist gilt allgemein, dass eine Bewertung für das hell adaptierte Auge (Tagsehen) erfolgt. Für diesen Fall beträgt der Wert

4.1 Lichttechnische Grundlagen

127

von Km = 683 lm/W. Das heißt, dass eine elektromagnetische Strahlung der Wellenlänge von 555 nm und der Leistung von 1 Watt einen Lichtstrom von 683 lm erzeugt. Bei Bezug auf V'(λ), also für das Nachtsehen, gilt: K'm = 1699 lm/W. Das Verhältnis aus dem Lichtstrom Φ zu der für seine Erzeugung aufgewendeten Leistung P bezeichnet man als Lichtausbeute η:

η=

Φ P

[lm/W]

(4.3)

Nimmt man idealisiert an, dass die einem Strahler zugeführte elektrische Leistung P vollständig in elektromagnetische Strahlung Φe umgewandelt wird, so besitzt eine Lichtquelle, die nur Licht mit der Wellenlänge von 555 nm, dem Maximum des photometrischen Strahlungsäquivalents des Auges, ausstrahlt, die maximal überhaupt mögliche Lichtausbeute von 683 lm/W, also den Wert von Km. Für einen Strahler, der perfekt weißes Licht erzeugt (d.h. der eine gleichmäßige elektromagnetische Strahlungsleistung über das ganze sichtbare Spektrum aufweist), liegt der entsprechende Wert bei 225 lm/W. Bei einem PLANCKschen Strahler mit einer Temperatur von 7000 K wird der größte Teil der Strahlung nicht im sichtbaren Bereich abgegeben, wodurch die Lichtausbeute auf 95 lm/W zurückgeht. Bei 3650 K, dem Schmelzpunkt von Wolfram, beträgt die Lichtausbeute nur noch 54 lm/W. Die Lichtausbeute einer realen Lichtquelle (also einer Lampe) ist im Vergleich zu diesen Werten stets geringer, da die obige Voraussetzung nicht zutrifft. Ein Teil der zugeführten elektrischen Leistung wird als Verlustwärme über Konvektion und Wärmeleitung nach außen abgegeben. Die Strahlung einer Lichtquelle ist normalerweise nicht in alle Richtungen gleich intensiv. Der von einer punktförmigen Lichtquelle in eine bestimmte Richtung ausgesandte Lichtstrom wird als Lichtstärke I bezeichnet:

I=

dΦ [cd] dΩ

(4.4)

Der Raumwinkel Ω mit der Einheit Steradiant (sr) ist analog dem ebenen Winkel ein Maß für die Öffnung bezogen auf den Abstand der von einem Punkt ausgehenden Begrenzungen. Ist AK die Fläche einer Kugelkalotte aus einer Kugel mit dem Radius r, so ergibt sich der Raumwinkel Ω zu

Ω=

AK [sr] r2

Der Raumwinkel einer ganzen Kugel beträgt demnach 4π sr.

(4.5)

128

4 Beleuchtung

Die Einheit für die Lichtstärke nach Gl.(4.4) heißt Candela (cd). Es gilt: 1 cd = 1 lm/sr. Zur Beurteilung der räumlichen Lichtstärkeverteilung von Lampen und Leuchten wird die Lichtstärke in mehreren Richtungen gemessen. Durch einen ebenen Schnitt durch die Verteilung erhält man eine Lichtstärkeverteilungskurve (LVK), wie sie beispielhaft für eine Doppelwendelglühlampe in Abb. 4.2 dargestellt ist. Je nach Bauform einer Lampe und vorhandenen Symmetrien in der Lichtverteilung werden von Herstellern eine oder mehrere LVK angegeben. Zur besseren Vergleichbarkeit sind Lichtverteilungskurven üblicherweise auf einen Gesamtlichtstrom von 1 klm (10³ lm) normiert. Bezieht man die Lichtstärke einer beleuchteten oder selbst leuchtenden Fläche auf das, was der Betrachter davon sieht, so erhält man die Leuchtdichte L:

L=

dI [cd/m²] dA cos ε

Abb. 4.2. Lichtstärkeverteilungskurve einer Doppelwendelglühlampe

(4.6)

4.1 Lichttechnische Grundlagen

129

Der Winkel ε ist dabei der Winkel zwischen der Flächennormalen der Fläche A und der Betrachtungsrichtung. Die Leuchtdichte ist für den Menschen ein Maß für den Helligkeitseindruck, den das Auge von der Fläche hat. Neben dem Lichtstrom, der Lichtstärke und der Leuchtdichte ist die Beleuchtungsstärke E die vierte lichttechnische Grundgröße:

E=

dΦ [lx] dA

(4.7)

Die Beleuchtungsstärke ist ein Maß für den auf eine Fläche auftreffenden Lichtstrom und wird in Lux (lx) angegeben. Sie wird vor allem zur Beurteilung des Beleuchtungsniveaus herangezogen, das für das menschliche Sehen bei verschiedenen Tätigkeiten erforderlich ist. Die natürlichen Beleuchtungsstärken bei klarem Himmel gibt Abb. 4.3 wieder. Die Maximalwerte in mittäglicher Sommersonne liegen bei rd. 80.000 lx; selbst im Schatten eines dichten Laubbaumes werden dann Beleuchtungsstärken von etwa 10.000 lx erreicht. Bei diffusem Lichteinfall infolge bedeckten Himmels reduziert sich die Beleuchtungsstärke auf rund 5.000 lx. Im Gegensatz dazu beleuchtet ein mitternächtlicher Vollmond nur mit etwa 0,25 lx. 100000

Jun Mai Apr Mär

Jul Aug Sep Okt Jan

Nov

10000 Dez

1000

100

38157a07

Beleuchtungsstärke [lx]

Feb

2

4

6

8

10

12

14

16

Tagesstunde

Abb. 4.3. Natürliche Beleuchtungsstärken bei klarem Himmel

18

20

22

130

4.2

4 Beleuchtung

Lampen

Das Gerät welches den Lichtstrom aus elektrischer Energie erzeugt, wird als Lampe bezeichnet. Dagegen versteht man unter dem Begriff Leuchte ein Gerät, das der geeigneten Verteilung des von der Lampe ausgesandten Lichtstroms und z.B. vor Blendung schützen soll. Ferner enthält die Leuchte die zur Befestigung, zum Schutz und zur Energieversorgung der Lampe notwendigen Bestandteile. Für die künstliche Lichterzeugung werden vorwiegend zwei Arten von Lichtquellen verwendet, die Temperaturstrahler und die Entladungslampen. Dabei standen über Jahrhunderttausende hinweg der Menschheit nur Temperaturstrahler zur Verfügung und erst seit wenigen Jahrzehnten haben Gasentladungslampen in die Beleuchtungstechnik Eingang gefunden. Einige Anhaltswerte der charakteristischen Daten heute gebräuchlicher Lampen gibt Tabelle 4.1 wieder (Wemmer u. Schurig 2005). 4.2.1

Glühlampen

Das Licht erzeugende Element in der Glühlampe ist eine Wendel aus Wolframdraht, die als Temperaturstrahler ein kontinuierliches Spektrum abstrahlt. Je höher die Temperatur der Wendel, umso größer ist der Anteil des sichtbaren Lichts an der Gesamtstrahlung und umso besser sind sowohl die Lichtausbeute als auch die Farbwiedergabe. Allerdings steigt mit der Temperatur auch die Verdampfungsrate des Wolframs, was sich ungünstig auf die Lebensdauer der Lampe auswirkt. Die Optimierung der Eigenschaften von Glühlampen geht über die Beeinflussung einer Reihe technologischer Parameter: • Durch geeignete Füllgase wie N2, Ar oder Kr lässt sich die Verdampfungsrate des Wolframs senken und gleichzeitig die Wärmeabgabe des Glühdrahtes reduzieren • Aus Gründen der mechanischen Festigkeit wird für den Durchmesser des Glühdrahtes meist ein Wert von mindestens 50 µm gewählt. • Die Wahl der Länge des Glühdrahtes ist durch die Leistung der Lampe bestimmt. • Eine Doppel- oder sogar Dreifachwendelung des Glühdrahtes verringert aufgrund des LANGMUIR-Effektes die WärmeabfuhrIm Ergebnis sind bei Lampen größerer Leistung eine höhere Lichtausbeute und bessere Farbwiedergabe erreichbar.

4.2 Lampen Tabelle 4.1.

131 Charakteristische Daten von Lampen Leistung [W] 20

AllgebrauchsGlühlampe

Lichtausbeute [lm/W] 21

Lebensdauer [h]

Farbtemp. [K]

1000

2400

15

6

200

16

5

9

2000

3000

150

20

3500

3100

Leuchtstofflampe (Stabform)

14

43

7500 ...

2700 ...

58

95

22

KompaktLeuchtstofflampe

5

20

42

70

50

27

1000

56

35

55 ...

2000 ...

3000 ...

24

... 10000 24

... 6100 24

18

72

16000

185

145

20000

monochrom.

35

42

12000

1850

1000

140

24000

2200

bis 10000

20 ... 25

Halogen-Glühlampe 12 V

Hg-DampfHochdruckEntladungslampe Halogen-MetalldampfEntladungslampe Na-DampfNiederdruckEntladungslampe Na-Dampf-HochdruckEntladungslampe Xe-Hochdrucklampe

3500

... 98

2850

... 12000

10000

... 6500

23

3000 ... ... 5400 23

6000

4200 3000

6000

Wird die an einer Glühlampe anliegende Spannung um 5 % erhöht, so steigt die Leistungsaufnahme um gut 10 %, der Lichtstrom aber aufgrund der

20 21 22 23 24

Aufgenommene Leistung, ohne Vorschaltgerät Mit Vorschaltgerät Je nach Vorschaltgerät und mittlerer Einschaltdauer Je nach Leuchtstoff Je nach Gas-Zusatzsubstanzen

132

4 Beleuchtung

höheren Temperatur um rd. 20 %. Somit vergrößert sich die Lichtausbeute um etwa 10 %. Die Lebensdauer der Lampe geht dabei auf etwa die Hälfte zurück! Glühlampen haben den Vorteil der unkomplizierten Lichtstromsteuerung. Sie sind für Gleich- und Wechselstrom verwendbar, in vielen Sonderbauformen und Leistungen lieferbar, für große Schalthäufigkeiten geeignet und haben eine als angenehm empfundene „warme“ Lichtfarbe. Bei Halogenglühlampen ist dem Füllgas ein kleiner Anteil (zwischen 30 und 1000 ppm) Jod oder Brom zugesetzt. Diese Halogene verbinden sich bei den Temperaturen, die in einer gewissen Entfernung vom Glühdraht herrschen, zu Wolfram-Halogenid, und binden in diesen Zonen das abgedampfte Wolfram. Somit kann praktisch kein Wolfram an die Kolbenwand gelangen und diese schwärzen. Das Wolfram-Halogenid ist bei Temperaturen oberhalb etwa 250 °C dampfförmig und lagert sich daher nicht im laufenden Betrieb am Lampenkolben ab, sofern dessen Temperatur höher ist. Um dies sicherzustellen, baut man Halogenglühlampen mit hinreichend kleinen und damit heißen Lampenkolben. In unmittelbarer Nähe des Glühdrahtes herrschen dagegen so hohe Temperaturen, dass dort das Halogen sich nicht mit dem Wolfram verbindet bzw. dass rückdiffundierte Teilchen von Wolfram-Halogenid dort wieder dissoziieren. Das führt hier zu einem so hohen Dampfdruck des Wolframs, dass die Verdampfungsrate sehr viel geringer ist als bei einer normalen Glühlampe gleicher Glühdrahttemperatur. Halogenglühlampen können daher für deutlich höhere Strahlertemperaturen ausgelegt werden, womit die Vorteile der höheren Lichtausbeute und der besseren Farbwiedergabe einhergehen. Dazu erhöht sich die Lebensdauer wegen der geringen Wolfram-Abdampfung auf ein Mehrfaches. Zur Erreichung der hohen Strahlertemperaturen ist ein Glühdraht größeren Durchmessers zweckmäßig, was zur Verwendung von Niederspannung (üblicherweise 12 V) führt. 4.2.2

Gasentladungslampen

Befindet sich ionisiertes Gas bzw. Metalldampf in einem elektrischen Feld, wird durch die (neben elastischen Stößen auch auftretenden) unelastischen Stöße zwischen freien Elektronen und Gasatomen das Energieniveau des Atoms um bestimmte Energiebeträge erhöht, indem ein Elektron des Atoms auf eine weiter außen liegende Bahn gehoben wird. Dieser angeregte Zustand ist instabil und in Zeiträumen von 10-8 s stellt sich der Grundzustand

4.2 Lampen

133

wieder ein. Die beim Übergang in den Grundzustand freiwerdende Energie wird als elektromagnetische Schwingung abgegeben. Da diese Energieänderung nur in diskreten Sprüngen möglich ist und die Frequenz der Strahlung vom Betrag der Energieänderung abhängt, treten nur bestimmte Frequenzen oder Banden auf, die zum Teil im sichtbaren Bereich liegen. Auch bei der Rekombination eines positiven Ions und eines Elektrons werden die kinetische Energie des Elektrons und die freiwerdende Ionisierungsarbeit als elektromagnetische Schwingung ausgestrahlt. Handelt es sich allerdings um eine „Dreierstoß-Rekombination“, bei der als drittes Reaktionspartikel ein anderes Gasatom oder die Gefäßwand beteiligt sind, können diese die ganze oder einen Teil der freiwerdenden Energie als kinetische Energie oder Wärme übernehmen. Aufgrund des charakteristischen Zusammenhangs zwischen Strom und Spannung bei einer Gasentladung ist für die Stabilisierung der Entladung eine Begrenzung des Stromes notwendig. Dies geschieht durch Vorschaltgeräte, die bei einigen Lampen auch den Spannungsstoß erzeugen, der für die Zündung erforderlich ist. Bei den heute technisch verwendeten Entladungslampen unterscheidet man zwischen Niederdruck- und Hochdrucklampen. 4.2.2.1 Niederdruck-Entladungslampen

Der Druck in Niederdruck-Entladungslampen liegt im Bereich von 101 bis 103 Pa. Die am weitesten verbreitete Gasentladungslampe ist heute die Niederdruckleuchtstofflampe. Sie wird in stab-, ring- und U-förmiger Ausführung geliefert. Darüber hinaus gibt es sog. Kompakt-Leuchtstofflampen mit integriertem Vorschaltgerät und Schraubsockel, die bei entsprechender lichttechnischer Eignung der Leuchte, direkt gegen Glühlampen ausgetauscht werden können. An den Röhrenenden der Leuchtstofflampe sind beheizbare Elektroden eingeschmolzen. Die Lampe ist mit Quecksilberdampf, entsprechend einem Dampfdruck von ca. 0,5 Pa und einem Hilfsgas zur Erhöhung des Gesamtdruckes auf 100 bis 500 Pa gefüllt. Das Hilfsgas (Ar oder ein Gemisch aus Ar und Kr) bewirkt ein leichteres Zünden der Entladung des Quecksilberdampfes sowie eine Herabsetzung der unerwünschten Diffusions- und Verdampfungsprozesse. Die Entladung setzt infolge des niedrigen Druckes vornehmlich Strahlung im ultravioletten Bereich frei. Durch die Verwendung von Leuchtstoffen, die auf der Innenseite der Kolben bzw. Röhren aufgeschlämmt werden, kann die Frequenz der Strahlung im UV-Bereich in eine Strahlung des sichtbaren Bereiches gewandelt

134

4 Beleuchtung

werden. Bei einer theoretischen Quantenausbeute von 1 würde einem desorbierten Lichtquant ein emittiertes Lichtquant entsprechen. Je nach Leuchtstoff beträgt die Quantenausbeute bis zu 0,8. Durch entsprechende Wahl der Leuchtstoffe können weitgehend beliebige Lichtfarben erzielt werden. Die konventionelle Form des Vorschaltgerätes besteht in einer Drossel zur Strombegrenzung. Nachteilig sind die hohen Stromwärme- und Eisenverluste sowie die induktive Blindleistung. Stand der Technik sind elektronische Vorschaltgeräte (EVG), die die Lampen mit einer Betriebsfrequenz zwischen 30 und 35 kHz speisen. In Abb. 4.4 ist im oberen Bildteil eine Leuchtstofflampe in der konventionellen Verschaltung mit Glimmstarter, Drossel und Kompensations-Kondensator dargestellt. Der untere Bildteil zeigt den prinzipiellen Aufbau einer mit einem elektronischen Vorschaltgerät beschalteten Leuchtstofflampe. Vorteile der hohen Betriebsfrequenz des EVG sind u.a.: • eine um ca. 10% höhere Lichtstromausbeute aufgrund gleichbleibender Elektronendichte im Plasma und Wegfall der Schwierigkeiten beim Wiederzünden je Halbwelle; der von der Lampe ausgesandte Lichtstrom ist jedoch im Vergleich zum Betrieb mit 50 Hz um 3 bis 5 % kleiner, • geringere Lichtwelligkeit (kein sichtbares Flackern), Netz 230 V L1 N

Drossel Lampe 38152a07

Starter

Netz 230 V

HFFilter

Stromversorgung

Lampenansteuerung

FunkEntstörung

Gleichrichter mit OberwelleBegrenzung

HFGenerator mit Strombegrenzung

38152a07

Abb. 4.4. Leuchtstofflampenschaltungen

(25...40 kHz)

Lampe

4.2 Lampen

135

• flackerfreier Start in kürzerer Zeit, • von der Schalthäufigkeit weitgehend unabhängige hohe Lebensdauer der Lampe, • selbsttätiges Abschalten defekter Lampen (keine Zündversuche), • Lichtstromsteuerung der Leuchtstofflampen möglich. Neben verbesserten Betriebseigenschaften liegt der Vorteil von elektroischen Vorschaltgeräten in der erheblichen Reduzierung der Verluste gegenüber herkömmlichen Vorschaltgeräten. In Abb. 4.5 ist die Leistungsbilanz einer Leuchtstofflampe mit herkömmlichem bzw. mit elektronischem Vorschaltgerät dargestellt. Beim Vergleich der Prozentwerte ist zu beachten, dass diese auf eine unterschiedliche zugeführte Leistung bezogen sind. Elektronisches Vorschaltgerät (EVG)

Konventionelles Vorschaltgerät (KVG) ^ 71 W 100 % =

^ 55 W 100 % =

Wärmeverluste durch:

Wärmeverluste durch:

Licht 2,4 %

Vorschaltgerät 18,3 %

UV-Strahlung 53,9 %

Licht 2,9 %

Vorschaltgerät 9,9 %

UV-Strahlung 66,5 %

Gasentladung 20,7 % Gasentladung 25,4 %

Umsetzung der UV-Strahlung im Leuchtstoff 33,8 %

20,1 %

Umsetzung der UV-Strahlung im Leuchtstoff 41,6 %

24,9 % 38156a07

38155a07

Licht 22,5 % =^ 16,0 W

Licht 27,8 % =^ 15,4 W

Abb. 4.5. Leistungsbilanz einer Leuchtstofflampe mit herkömmlichem bzw. mit elektronischem Vorschaltgerät

Verbesserungen in der Leuchtstofftechnik machten neben den geraden Röhren auch andere Bauformen möglich. Kleinere Abmessungen der Entladungsrohre und mehrfache Biegungen bis hin zu einseitigem Sockel zeichnen die Kompakt-Leuchtstofflampen aus. Durch die damit fast beliebige Formgebung, das im Sockel integrierte Vorschaltgerät und die Kombination mit einem Standard-Schraubsockel sind sie in fast jeder Leuchte einsetzbar und verdrängen hier zunehmend die herkömmlichen Glühlampen. Die Lebensdauer von Entladungslampen liegt heute durchweg bei über 7500 h. Im Falle konventioneller Vorschaltgeräte sind dabei Schaltrhythmen von drei Betriebsstunden pro Einschaltung zugrunde gelegt. In Anwendungsfällen, die in Bezug auf die Schalthäufigkeit günstigere Betriebsbedingungen darstellen, sind Lebensdauern (d.h. die Zeit, in der 50% der Lampen ausge

136

4 Beleuchtung

fallen sind) bis zu 12.000 h durchaus zu erreichen. Allerdings ist zu berück sichtigen, dass nach dieser Betriebszeit der Lichtstrom gegenüber dem Neuzustand um mehr als 15% nachgelassen hat. In Abb. 4.6 sind für verschiedene Typen und Größen von Glühlampen und Leuchtstofflampen die Lichtausbeute und Farbwiedergabe aufgeführt. Leuchtstofflampen mit "3-Banden-Spektrum" haben zum Grundspektrum erhöhte Anteile der Spektralbereiche Blau, Gelb und Rot. Diese Lampen erreichen eine Lichtausbeute bis zu 96 lm/W (1,20 m Länge, 36 W ohne Vorschaltgerät) bei guter Farbwiedergabe. 100

80

1A 1B

60

2 A/B, 3

40 Verbesserung durch elektronisches Vorschaltgerät

"De-Luxe"Lampe

Dreibandenlampe

Standardlampe

Kompaktleuchtstofflampe 15 W

erste Leuchtstofflampe (1936)

Halogenlampe 12 V, 50 W

Glühlampe 230 V, 100 W

WolframGlühlampe (1910)

Gasglühlicht (1890)

Petroleumlampe (1880)

0

38153a07

20

Öllampe (seit Altertum)

Systemlichtausbeute [lm/W]

Farbwiedergabestufe:

Leuchtstofflampen 58 W, Stabform

Abb. 4.6. Lichtausbeuten historischer und heutiger Lampensysteme

Der Lichtstrom von Niederdruckleuchtstofflampen ist, abgesehen von der Lampengröße und der Lichtfarbe, in starkem Maße von der Umgebungstemperatur abhängig, wie Abb. 4.7 am Beispiel einer 58 W-Leuchtstofflampe zeigt. Die Natriumdampf-Niederdrucklampe besteht aus einem haarnadelförmig gebogenen oder auch gestreckten Glasrohr, an dessen Ende je eine Elektrode eingeschmolzen ist. Eine dieser Elektroden ist außerdem mit einem Zündstreifen verbunden. Die Röhre ist mit einem Edelgas niedrigen Drucks (vornehmlich Neon) gefüllt und enthält eine bestimmte Menge Natrium, das bei normaler Temperatur in Tropfen erstarrt ist. Beim Anlegen einer Spannung, die die Höhe der Zündspannung erreicht,

4.2 Lampen

137

Relativer Lichtstrom [%]

100

80

60

40

Leuchtstofflampe, 58 W, EVG

0

38158a07

20

-10

Leuchtstofflampe, 58 W, KVG 0

10

20

30

40

50

60

70

80

Lampen-Umgebungstemperatur [°C]

Abb. 4.7. Temperaturabhängigkeit des Lichtstroms von Leuchtstofflampen

wird das Füllgas zunehmend ionisiert, bis eine Gasentladung eintritt und die Lampe anfänglich das für Neon typische rote Licht ausstrahlt. Wegen der negativen Widerstandskennlinie der Gasentladung muss der Strom sofort nach der Zündung begrenzt werden, die Temperatur des Gases steigt an, so dass auch Natriumdampf entsteht, der ebenfalls ionisiert wird und seinerseits durch Entladungsvorgänge Lichtstrahlung ! fast ausschließlich mit einer Wellenlänge von 589 nm (orange-gelb) ! aussendet. Bei den heutigen Natriumdampflampen sind auf der Innenseite des Außenkolbens infrarot reflektierende Metalloxydschichten aufgedampft, die durch Reflexion der Wärmestrahlung zum Brenner hin eine weitere Erhöhung der Lichtausbeute ermöglichen. Man erreicht mit diesen Lampen bei 180 W Leistungsaufnahme einen Lichtstrom von 33.000 lm, also eine Lichtausbeute von 133 lm/W. Die maximal mögliche Lichtausbeute für die monochromatische Lichtaussendung mit 589 nm Wellenlänge beträgt 524 lm/W. Die Lebensdauern von Natriumdampflampen liegen bei 5000 bis 6000 h. Vorteilhaft ist, dass sie nach einem Spannungsausfall direkt wieder gezündet werden können. Als Strombegrenzer werden Streufeldtransformatoren oder Drosseln verwendet, die einerseits die über der normalen Netzspannung liegende Zündspannung von mehr als 400 V liefern und andererseits den Lampenstrom begrenzen. Der Leistungsfaktor liegt bei der Verwendung von Streufeldtransformatoren bei etwa 0,3, bei der Verwendung von Drosseln bei etwa 0,5. Natriumdampf-Niederdrucklampen eignen sich wegen der hohen Lichtausbeute zur Beleuchtung von Außenanlagen, sofern keinerlei Ansprüche

138

4 Beleuchtung

hinsichtlich der Farbwiedergabe gestellt werden. Die vorzugsweise in der Reklamebeleuchtung verwendeten Leuchtröhren werden bei Spannungen von 300 bis 1000 V je m Länge betrieben. Die Röhren sind mit Neon, Helium oder Argon gefüllt und leuchten bei der Verwendung von Klarglas rot, hellrosa oder blau. Neben den verschiedenen Füllungen kann durch gefärbte Gläser und aufgeschlämmte Leuchtstoffe die Lichtfarbe variiert werden. Die höchstzugelassene Betriebsspannung ist auf 7500 V festgelegt. Die Lichtausbeute liegt zwischen 6 und 35 lm/W, die Lebensdauer bei über 10.000 h. 4.2.2.2 Hochdruck Entladungslampen

In den Hochdruck-Entladungslampen haben die hohen Drücke (3·106 Pa) eine hohe Temperatur im Gasplasma zur Folge. Dadurch finden mehr Übergänge zwischen den Energiestufen statt, es werden mehr Spektrallinien emittiert. Man spricht dabei von einer Linienverbreiterung bzw. von einem Kontinuum. In der Quecksilberdampf-Hochdrucklampe verlaufen die Vorgänge ähnlich wie bei der Natriumdampf-Niederdrucklampe. Der Widerstand und damit die Brennspannung der noch kalten Quecksilberdampf-Hochdrucklampe sinkt nach dem Beginn der Entladung im Quecksilberdampf auf so niedrige Werte, dass die Atome des Hilfsgases nicht mehr angeregt werden. Obwohl beim weiteren Betrieb der Lampe die Temperatur, der Dampfdruck und der Widerstand ansteigen, bleibt die Brennspannung unter den Werten, die für eine Anregung des Hilfsgases notwendig werden. Eine Quecksilberdampflampe liefert daher innerhalb des sichtbaren Spektrums nur das für Quecksilber typische Linienspektrum mit den Wellenlängen 405 nm (violett), 435 nm (blau), 546 nm (grün) und 578 nm (gelb). Bei Quecksilberdampflampen befindet sich der eigentliche Brenner in einem Innenkolben aus Quarzglas und der Zwischenraum zum Außenkolben ist evakuiert, um die Wärmeverluste zu verringern. Wegen der hohen Temperaturen wird das Entladungsrohr aus Quarz hergestellt. Der Außenkolben wird mit Leuchtstoffen beschichtet. Die Lichtausbeute von Quecksilberdampf-Hochdrucklampen beträgt bis zu 58 lm/W. Sie werden in der Verkehrs- und Werkhallenbeleuchtung eingesetzt. Die Zündung einer Quecksilberdampflampe läuft in drei Phasen ab: 1. Glimmentladung 2. Niederdruck-Bogenentladung 3. Hochdruck-Bogenentladung mit kontrahiertem Bogen.

4.2 Lampen

139

Da im heißen Gas eine Zündung nicht möglich ist, muss eine Lampe vor der Wiederzündung erst abkühlen. Der Leistungsfaktor der Quecksilberdampflampen liegt bei Verwendung von Drosselspulen (für Spannungen von 230 V und darüber) bei 0,5 und bei der Verwendung von Streufeldtransformatoren (für Spannungen unter 230 V) bei 0,3. Werden Quecksilberdampf-Hochdrucklampen mit Zusätzen von Metalljodiden (z.B. Natrium-, Indium- und Thalliumjodid) und anderen Halogenverbindungen versehen, so spricht man von Halogen-Metalldampflampen. Im Bogenzentrum der eingebrannten Lampe dissoziieren bei der dort herrschenden hohen Temperatur die Metallhalogenide und sie strahlen in den kühleren Bogenrandzonen. In der Nähe der Brennerwand rekombinieren sich die Metall- und Halogenatome, so dass chemische Verbindungen zwischen den Metallatomen und der Quarzwand verhindert werden. Bei diesen Lampen ist die Farbwiedergabe erheblich besser, so dass keine Leuchtstoffe benötigt werden. Die Lichtausbeute liegt bei 70 bis 95 lm/W. Wegen der guten Farbwiedergabe können sie sowohl zur Innen-, als auch zur Außenbeleuchtung verwendet werden. Bei der Natriumdampf-Hochdrucklampe wird durch die Linienverbreiterung (im Unterschied zur Natriumdampf-Niederdrucklampe) auch farbiges Sehen möglich. Wegen der hohen Temperaturen und Drücke wird für das Entladungsrohr lichtdurchlässiges keramisches Sintermaterial auf der Basis von Aluminiumoxid verwendet, das gegen den Natriumdampf beständig ist. Mit Natriumdampf-Hochdrucklampen wird eine Lichtausbeute bis zu 130 lm/W erreicht. Sie wird bei Außenanlagen und !sofern nur geringe Ansprüche an die Qualität der Farbwiedergabe bestehen ! auch zur Innenbeleuchtung z.B. in Werkhallen der Schwerindustrie verwendet. Hochdruck-Xenonlampen arbeiten mit einer Bogenentladung im Xenon bei Drücken von etwa 1 bis 30 bar. Sie besitzen bei einer Lichtausbeute von 20 bis 25 lm/W ein im sichtbaren Bereich fast tageslichtgleiches Strahlungsspektrum. Wegen ihrer hervorragenden Farbwiedergabe werden sie unter anderem zu Farbprüfzwecken und zur Bildprojektion verwendet.

4.3

Anforderungen an die Beleuchtung

Das Ziel der künstlichen Beleuchtung von Innenräumen ist es, für die dort befindlichen Menschen günstige Sehbedingungen schaffen. Damit kann ein Beitrag geleistet werden zur • Förderung des physischen und psychischen Wohlbefindens des Menschen

140

4 Beleuchtung

• Steigerung der Leistungsfähigkeit • Verringerung der Ermüdung • Verhütung von Unfällen. Sehen ist das Erkennen von • • • • •

Helligkeitsunterschieden Farben Formen Entfernungen und Bewegungen.

Das menschliche Auge erfüllt alle diese Funktionen. Dies setzt drei spezielle physiologische Grundfähigkeiten voraus: 1. die Unterscheidung verschiedener Leuchtdichten und Farben, 2. Sehschärfe, d.h. die Fähigkeit, sehr kleine eng benachbarte Objekte getrennt wahrzunehmen, 3. die Wahrnehmungsgeschwindigkeit, das betrifft die Mindestzeit, die sich ein Objekt im Gesichtsfeld aufhalten muss, um gesehen zu werden. Diese genannten Grundfähigkeiten steigen generell mit wachsenden Leuchtdichten an. Zudem hat für 1. und 3. eine zunehmende Größe der gesehenen Fläche bzw. des Objektes und für 2. und 3. ein zunehmender Kontrast einen erheblichen positiven Einfluss. Neben der direkten Wirkung guter Beleuchtung auf die Sehfunktionen des Auges wird auch die Psyche beeinflusst. Ein Lichtreiz wird über die Sehnerven des Auges nämlich nicht nur zum Sehzentrum im zentralen Nervensystem, sondern auch zum vegetativen Nervensystem geleitet, das den gesamten Kreislauf und die Empfindungszustände, Leistungsbereitschaft und die Erholung des menschlichen Organismus steuert. Für die Beleuchtungsgüte sind folgende die Wahrnehmung beeinflussenden Faktoren wichtig: • • • •

Beleuchtungsniveau, Helligkeitsverteilung und Blendungsbegrenzung, Lichtrichtung und Schattigkeit, Lichtfarbe und Farbwiedergabe.

Für das Beleuchtungsniveau ist im wesentlichen die Beleuchtungsstärke maßgebend. Hohe Beleuchtungsstärken und weißes Licht fördern die Leistungsfähigkeit, geringe Beleuchtungsstärken und Lichtfarben mit hohem Gelb-Rot-Anteil führen zu Empfindungszuständen der Entspannung und Erholung. Die allgemeine Beleuchtung sollte nach der Art der Tätigkeiten

4.3 Anforderungen an die Beleuchtung

141

orientiert sein und bei Räumen mit Flächen unterschiedlicher Zweckbestimmung gegebenenfalls unterschiedlich gestaltet sein. In Tabelle 4.2 sind die in DIN 5035 empfohlenen Beleuchtungsstärken für allgemeine Beleuchtung und Arbeitsplatzbeleuchtung für verschiedene Ansprüche wiedergegeben. Die Werte beziehen sich bei der Allgemeinbeleuchtung auf Messungen in einer waagerechten Ebene, die 0,85 m über dem Fußboden liegt, und bei Platzbeleuchtung auf Messungen direkt auf der Arbeitsfläche. Bei der Auslegung von Beleuchtungsanlagen wird die gewünschte Beleuchtungsstärke mit einem Zuschlag von 25 % versehen, um einen Rückgang des Lichtstroms durch Verschmutzung und Alterung zu kompensieren. Tabelle 4.2.

Empfohlene Beleuchtungsstärken für Sehaufgaben

Beleuchtungsstärke [lx]

Sehaufgabe

20 bis 50

Orientierung, vorübergehender Aufenthalt

100 bis 200

Leichte Sehaufgaben, grobe Details, hohe Kontraste

500 bis 750

Normale Sehaufgaben, mittlere Details und Kontraste

1000 bis 1500

Schwierige Sehaufgaben, kleine Details und Kontraste

2000

Sehr schwierige Sehaufgaben, sehr kleine Details und Kontraste

Für die Helligkeitsempfindung ist die Leuchtdichte entscheidend. Beim Wechsel der Blickrichtung von Flächen hoher auf Flächen niederer Leuchtdichte muss das Auge von hell auf dunkel und beim Wechsel der Blickrichtung von Flächen niederer auf Flächen hoher Leuchtdichte von dunkel auf hell umadaptieren. Für die Anpassung des Auges an veränderte Leuchtdichten wird eine bestimmte Zeit benötigt, während der die Sehfunktion beeinträchtigt ist. Diese Zeit ist bei der Umadaption von hell auf dunkel erheblich länger als umgekehrt. Ein häufiges Umadaptieren führt zu einer relativ raschen Ermüdung des Auges und zu einem Absinken der Sehleistung. Eine harmonische Helligkeitsverteilung ist gewährleistet, wenn das Verhältnis der Leuchtdichten von Arbeitsfeld zu Umfeld etwa 3:1 beträgt. Eine gute Beleuchtung muss blendungsfrei sein, da starke Blendung die Sehfunktion und selbst schwache Blendung bei längerer Dauer das Wohlbefinden beeinträchtigt. Man unterscheidet zwei Arten von Blendung. Absolut-

142

4 Beleuchtung

blendung tritt auf, wenn die Leuchtdichte über 104 cd/m² hinausgeht. Die Absolutblendung ist physikalisch bedingt und kann nur durch Herabsetzen der Leuchtdichte vermieden werden. Die Relativblendung entsteht durch Lampen, Leuchten oder Spiegelung, die zu hohe Leuchtdichtekontraste im Sehfeld erzeugen. Sie hängt ab von der Leuchtdichte der Blendquelle und ihrem Verhältnis zur Leuchtdichte der Umgebung, von der Größe der gesehenen leuchtenden Fläche und von der Entfernung und Lage der Blendquelle. Zur Vermeidung der Blendung muss die Leuchtdichte von Lichtquellen in Blickrichtung möglichst gering und die Umgebung der Lichtquelle möglichst aufgehellt sein. Flächen von Leuchten oder Lampen in Arbeitsräumen, die in einem Winkelbereich von 0 bis 30° oberhalb der horizontalen Blickrichtung gesehen werden, sollen Leuchtdichten von 0,4 cd/cm² nicht überschreiten. Leuchtstofflampen mit ihrer Längsachse parallel zur Blickrichtung haben gegenüber quer zur Blickrichtung montierten den Vorteil kleiner gesehener Flächen und sind deshalb auch im Hinblick auf die Vermeidung von Blendung günstig. Bei Materialien, die in hohem Maße gerichtet reflektieren, tritt eine Blendung auf, wenn das reflektierte Licht das Auge des Beobachters trifft. Die Lichtquellen sollen daher so angeordnet sein, dass bei horizontaler Arbeitsfläche das Licht von links oben einfällt und unerwünschte Reflexe nicht auftreten. Bei Bildschirmarbeitsplätzen setzt man heute sog. „dark-light“Leuchten ein, deren Ausstrahlungswinkel auf 50° beschränkt ist. Durch die Lichtrichtung wird auch die Schattigkeit beeinflusst. Das Erkennen von Körpern (man denke z.B. an das Erkennen einer Zirkelspitze) wird durch Schattenbildung unterstützt und zum Teil erst durch Schatten möglich. Allerdings sollten harte abgegrenzte Schatten vermieden und weiche Schatten geringerer Schattigkeit angestrebt werden. Da die Arbeitsplätze oft in ihrer Anordnung nach dem Tageslichteinfall orientiert werden, ist bei künstlicher Beleuchtung ein möglichst ähnlicher Lichteinfall anzustreben. Neben der Beleuchtungsstärke wirkt sich auch die Lichtfarbe auf die Stimmung des Menschen aus. Sie wird durch die spektrale Zusammensetzung des Lichtes der Lampen bestimmt. Für Niederdruck-Leuchtstofflampen zur allgemeinen Beleuchtung sind folgende Lichtfarben üblich: • Tageslicht entspricht der Farbe des mittleren nördlichen Tageshimmels, Farbtemperatur um 6000 K. • Weiß entspricht etwa dem Mittelwert zwischen der Tageslichtfarbe und dem Glühlampenlicht. Solche Lampen können gemeinsam mit Glühlampen verwendet werden. Sie werden vor allem in Arbeitsräumen angewendet, Farbtemperatur um 4000 K.

4.3 Anforderungen an die Beleuchtung

143

• Warmton entspricht etwa der Lichtfarbe von Glühlampen. Diese Lampen finden in Wohnräumen, Restaurants usw. Verwendung, Farbtemperatur um 3000 K. Da das Auge über das gesamte sichtbare Spektrum integriert, macht die Lichtfarbe einer Lampe keine Aussage über deren Farbwiedergabeeigenschaft. Die Farbwiedergabeeigenschaft einer Niederdruck-Leuchtstofflampe ist jedoch abhängig davon, ob die gewünschte wiederzugebende Farbe ausreichend im Bandenspektrum der Lampe vertreten ist. Im allgemeinen ist der Reflexionsgrad einer beleuchteten Oberfläche nicht konstant, sondern abhängig von der Wellenlänge. Eine solche „farbige“ Oberfläche zeigt dann bei Bestrahlung mit weißem Licht eine Farbe, die von weiß bzw. grau abweicht. Eine rote Oberfläche z.B. reflektiert Strahlung mit größeren Wellenlängen besser als kurzwellige. Daher wird überwiegend langwellige Strahlung, also rotes Licht, reflektiert und somit vom Betrachter gesehen. Werden Flächen mit weißem Licht, das alle Spektralbereiche gleichmäßig enthält, beleuchtet, ergibt die spektrale Zusammensetzung des reflektierten Lichts die natürliche Farbe dieser Flächen. Bei Beleuchtung mit farbigem Licht wird dagegen der Farbeindruck gegenüber der natürlichen Farbe verändert. Während in Werkräumen und -hallen i.a. geringe Ansprüche an die Farbwiedergabe bestehen, wird man in Arbeitsräumen bevorzugt eine weiße Lichtfarbe wählen, da sie ein neutrales Farbklima erzeugt und Zwielichterscheinungen bei Tageslichteinfall vermeidet. Für gute Farbwiedergabe am Tage sind dann allerdings hohe Beleuchtungsstärken erforderlich. In Räumen, die der Entspannung dienen oder bei denen es auf ein vorteilhaftes Aussehen der menschlichen Haut, von Nahrungsmitteln und anderem ankommt, wird man Glühlampen oder Warmton-Leuchtstofflampen mit bevorzugter Wiedergabe der roten Farbtöne verwenden, wobei dann hier die Beleuchtungsstärken i.a. 500 lx nicht überschreiten.

5

Stationäre Antriebe

5.1

Stationärer Kraftbedarf

Viele Energiedienstleistungen, namentlich in der Fertigungs- und Verfahrenstechnik, basieren auf einem Bedarf an mechanischer Arbeit als Nutzenergie. Der entsprechende Betrag an „Aktivenergie“ wird von einer Arbeitsmaschine geliefert, welche ihrerseits von einer Kraftmaschine (= Motor) angetrieben wird. Während es im Kapitel 6 um mobile Kraft- und Arbeitsmaschinen in Verkehrs- oder Transportmitteln geht, ist der Gegenstand des Kapitels 5 die Gesamtheit derjenigen Antriebe, bei denen Kraft- und Arbeitsmaschine grundsätzlich ortsfest sind. Hierunter fallen auch einige Verkehrs- oder Transportmittel wie z.B. Seilbahnen oder Aufzüge. Die energetische Bedeutung dieses Bereiches der Energieanwendung kann man daran ermessen, dass auf sein Konto fast die Hälfte des gesamten Stromverbrauchs in Deutschland geht. In der Industrie sind es sogar fast zwei Drittel, in den Haushalten knapp 30 % und im Sektor GHD ca. 40 %. Tabelle 5.1 gibt ! ohne Anspruch auf Vollständigkeit ! einen Überblick über die Vielfalt der Energiedienstleistungen für die verschiedensten Zwecke, sowie die dafür eingesetzten Arbeitsmaschinen.

5.2

Fördern von Fluiden

Aus der Vielfalt der in Tabelle 5.1 genannten Energiedienstleistungen wird im folgenden das Fördern von Fluiden (d.h. von Flüssigkeiten und Gasen) herausgegriffen25. Von der sektoralen Verbreitung wie auch von der mengenmäßigen Bedeutung her handelt es sich dabei um den wichtigsten Bereich des stationären Kraftbedarfs. Zunächst wird die Aufgabenstellung der Fluidförderung systematisch betrachtet und die Anwendungsfelder beschrieben. Danach wird auf die Bauformen, Funktionsweise und Eigenschaften der einschlägigen Arbeits25

Auch Komprimieren und Evakuieren werden meist zum Fördern gezählt

146 Tabelle 5.1.

5 Stationäre Antriebe Arbeitsmaschinen für Energiedienstleistungen

Energiedienstleistung Komprimieren

Arbeitsmaschine

Objekt

Anwendungsbeispiel

Verdichter

Evakuieren Fördern

Vakuumpumpe Gebläse, Ventilator, Pumpe

Gas, Dampf Gas Gas

Druckluftversorgung Kälteaggregat Vakuumkammer Saugzug, Lüftung Heizsystem, Wasserkühlung, Pipeline Bandförderer, Aufzug, Kran, Spannvorrichtung, Vorschubeinheit, Roboter Walzwerk, Strangpresse, Freiformschmiede Backenbrecher, Kugelmühle, Holzschliff-Anlage

Flüssigkeit

Transportieren, Rolle, Seilzug, Bewegen, Spindel, Schnecke, Manipulieren Greifarm

Feststoffe aller Art

Plastisches Um- Walze, formen Pressstempel, Hammer Zerkleinern Brecher, Mühle, Schleifer Zerteilen Schere, Stanze Spanendes Drehwerk, Trennen Bohrwerk, Fräse, Hobel, Säge, Schleifwerk Mechanisches Schraubwerk, Fügen Hammer, Nietwerk Mech. Trennen Zentrifuge, disperser Stoffe Presswalze und Entwässern Mischen Knet-, Rührwerk, Homogenisator

Metall, Kunststoff Gestein, Zement, Getreide, Holz, usw. Metall, Papier, Textil, usw. Feststoffe aller Art

Werkzeugmaschinen

Mechanische Teile

Montage

Suspension, Emulsion, nasse Feststoffe feste, flüssige Stoffe

Milchentrahmung, Pressenpartie der Papiermaschine Nahrungsmittel-, Chemieindustrie

5.2 Fördern von Fluiden

147

maschinen eingegangen. Schließlich wird die Kreiselpumpe als ein typischer Vertreter dieser Gattung hinsichtlich des Betriebsverhaltens untersucht. 5.2.1

Aufgabenstellung

Das Fördern eines Fluids ist in jedem Fall mit einer Druckerhöhung verbunden, die meist durch das Druckverhältnis gekennzeichnet wird:

Ψ =

p2 . p1

(5.1)

Bezogen auf die Masseneinheit des Fluids, ist dazu die technische Arbeit

dwt = vdp

(5.2)

mittels einer Arbeitsmaschine dem Fluid zuzuführen.

 vom Eintrittsdruck p1 auf den Austrittsdruck p2 Soll der Massenstrom m gebracht werden, so ist dafür die Nutzleistung p2

 ∫ dwt PNutz = m

(5.3)

p1

erforderlich. Flüssigkeiten sind inkompressibel, ihr spezifisches Volumen

v=

1

ρ

=

V  m

(5.4)

ist also konstant. Damit lässt sich die Nutzleistung zur Förderung einer Flüssigkeit als Produkt aus dem Volumenstrom und seiner Druckerhöhung ausdrücken: (inkompr) PNutz = ( p2 − p1 ) V = (Ψ − 1 ) p1V .

(5.5)

Für die Förderung eines kompressiblen Mediums (Gas oder Dampf) ist die Veränderung des spezifischen Volumens zu berücksichtigen. Unter den Annahmen • dass es sich um ein ideales Gas handelt, so dass die thermische Zustandsgleichung

pv = RT gilt, sowie

(5.6)

148

5 Stationäre Antriebe

• dass die Förderung reversibel und adiabatisch, somit isentropisch abläuft, lassen sich Druck und spezifisches Volumen unter Verwendung des Isentropenexponenten κ = c p cv auf die Anfangswerte zurückführen:

p vκ = p1 v1κ .

(5.7)

Damit ergibt sich im Falle eines kompressiblen Fluids die Nutzleistung26 in Abhängigkeit von Druck und Volumenstrom am Eintritt in die Fördermaschine zu

(kompr) PNutz

⎛ ⎛⎜ 1− κ1 ⎞⎟ ⎞ ⎜Ψ ⎝ ⎠ − 1 ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ p V = 1 1 . 1 1−

(5.8)

κ

In Abb. 5.1 sind die Zusammenhänge zwischen Nutzleistung, Druckverhältnis und Volumenstrom dargestellt. Bei einem Eintrittsdruck von 1 bar 1000 26137-B-00

100

1 kW

10 kW

100 kW

1 MW

10 MW

Nutzleistung

Pumpe

Druckverhältnis

Medium inkompressibel kompressibel

Verdichter

10

0,1 kW

1 0,001

Gebläse Ventilator

0,01

0,1

1

10

100

1000

Volumenstrom in m³/s

Abb. 5.1. Nutzleistung für die Fluidförderung in Abhängigkeit von Druckverhältnis und Volumenstrom 26

Teilweise wird bei kompressiblen Medien die Nutzleistung unter der Voraussetzung konstant bleibender Temperatur ermittelt. Dabei ergeben sich deutlich geringere Werte. Allerdings entspricht diese Voraussetzung meist nicht den realen Verhältnissen; bei der Verdichtung von Dämpfen scheidet sie von vornherein aus.

5.2 Fördern von Fluiden

149

(das entspricht ungefähr dem atmosphärische Druck) entspricht der Austrittsdruck in der nämlichen Einheit zahlenmäßig dem Druckverhältnis. Inkompressible Medien, also Flüssigkeiten, werden durch Pumpen gefördert; der Druckbereich erstreckt sich von wenigen mbar Druckerhöhung bis in den kbar-Bereich. Bei kompressiblen Medien, also Gasen und Dämpfen, hängt die Bezeichnung der Fördermaschine ab vom Austrittsdruck. Bis 1,3 bar spricht man von Ventilatoren oder Lüftern, während die Maschinen mit Austrittsdrücken zwischen 1,3 und 3 bar Gebläse genannt werden. Oberhalb von 3 bar beginnt das Gebiet der Verdichter. Für eine bestimmte Förderaufgabe, die durch die Werte von Volumenstrom und Druckverhältnis gegeben ist, ist für ein kompressibles Medium eine geringere Nutzleistung erforderlich als für ein inkompressibles Medium. Die Erklärung dafür liegt in Gl.(5.2): Die spezifische technische Arbeit hängt ab vom spezifischen Volumen, welches dank der Kompression während der Druckerhöhung bei Gasen (und Dämpfen) kleiner wird. Aus der Darstellung ist ersichtlich, dass dieser Unterschied erst merkbar wird für Austrittsdrücke über etwa 1,3 bar. Das bedeutet, dass bei der Gasförderung durch Ventilatoren sich die Gasdichte nicht wesentlich ändert. Eine Sonderaufgabe der Gasförderung besteht in der Erzeugung eines Unterdrucks. Der Bereich des zu erzielenden Vakuums erstreckt sich von einer leichten Absenkung des atmosphärischen Druckniveaus bis hin zu Drücken von weniger als 1 mPa. In einem solchen „Hochvakuum“ befinden sich in 1 cm³ immerhin noch 1011 Moleküle. Eine Evakuierung erfolgt im allgemeinen gegen den Atmosphärendruck, das bedeutet, dass der Austrittsdruck knapp darüber liegt. Dementsprechend reichen die Druckverhältnisse solcher Förderaufgaben zwischen wenig über Eins bis hin zu vielen Zehnerpotenzen. Die Arbeitsmaschinen hierfür werden üblicherweise als „Vakuumpumpen“ bezeichnet, obwohl es sich um die Förderung von Gas handelt. 5.2.2

Anwendungsbereiche

Die Fluidförderung ist eine universelle „Querschnittstechnologie“. Das heißt, dass es sich sowohl beim Pumpen von Flüssigkeiten als auch beim Fördern und Verdichten von Gasen und Dämpfen um Grundanwendungen (Unit Operations) handelt, die für viele Zwecke in allen möglichen Sektoren zur Anwendung kommen. Die Anwendungsbereiche von Pumpen sind in Tabelle 5.2, von Maschinen zur Gasförderung in Tabelle 5.3 wiedergegeben.

150

5 Stationäre Antriebe

Tabelle 5.2.

Anwendungsbereiche von Pumpen

Aufgabe

Anwendungsbeispiel

Fördern, Transportieren

Erdöl, Chemikalien in Pipelines

Umwälzen, Umpumpen

Kreisläufe in Heiz- und Kühlsystemen in der Gebäudetechnik; Kühl- und Schmiersysteme in der Maschinentechnik

Befüllen, Entleeren

Getränkeabfüllanlagen in der Lebensmittelindustrie; Entleerung von Klärschlammbehältern

Zuteilen, Dosieren

Analysetechnik; chemische Industrie; Einspritzung von Brenn- und Kraftstoffen in Ölbrenner bzw. Verbrennungsmotor

Druckerhöhung, Energieübertragung

Brauchwasserversorgung in Hochhäusern; Druck- und Materialprüfung im Maschinen- und Anlagenbau; Wasserstrahlschneiden; Hydraulikantriebe

5.2.3

Arbeitsmaschinen

Die Systematik der Bauformen zeigt Abb. 5.2. Verdrängermaschinen nehmen einen Volumenstrom auf, der etwa proportional zur Drehzahl ist. Die sehr gebräuchliche Hubkolbenmaschine (s. Abb. 5.3) findet meist als Gasverdichter Verwendung. Das Ansaugen und Verdichten erfolgt periodisch durch die Bewegung eines mit Kolbenringen abgedichteten und in der Regel ölgeschmierten Kolbens in einem liegenden oder stehenden, luft- oder wassergekühlten Zylinder. Der gasdicht abschließende Zylinderdeckel ist mit selbsttätig arbeitenden Saug- und Druckventilen versehen. Wegen des unvermeidlichen „schädlichen Raumes“ (das ist das eingeschlossene Volumen am oberen Totpunkt des Kolbens) wird das tatsächlich angesaugte Volumen mit zunehmendem Druckverhältnis kleiner. Deshalb geht man für Druckverhältnisse Ψ > 8 auf mehrstufige Maschinen ! meist mit doppelt wirkenden Kolben ! über. Beim Überströmen von einem Verdichtungsraum zum nächsten wird das Gas für gewöhnlich mit Wasser zwischengekühlt. Dadurch verringert sich, ebenso wie durch die Kühlung des Verdichters selbst, die notwendige Antriebsleistung des Verdichters. Mit bis zu 8-stufigen Maschinen sind Gesamt-Druckverhältnisse bis 4000 erreichbar.

5.2 Fördern von Fluiden Tabelle 5.3.

151

Anwendungsbereiche von Verdichtern, Gebläsen, Ventilatoren und Vakuumpumpen

Aufgabe

Anwendungsbeispiel

Erzeugen hoher Prozessdrücke

Luftzerlegung, Gasverflüssigung und Gasreaktionen in der chemischen Industrie

Fördern, Transportieren

Erdgasversorgung

Verdichten von Arbeitsmedien für linksläufige Kreisprozesse

Wärmepumpen; Kältemaschinen

Druckluftversorgung

Pneumatische Antriebe und Manipulatoren; Rohrpostanlagen

Erzeugen von Druckpolstern

Luftkissen in Papierindustrie, Druckereien, Textilindustrie; Traglufthallen;

Evakuieren

Verpackungsmaschinen; Umschmelz- und Gießverfahren; Elektronenstrahltechnik

Zu- oder Abfuhr von Wärme

Luftkühlung von Maschinen; Rückkühlanlagen; Heizlüfter

Zu- oder Abfuhr von Feuchtigkeit und Dämpfen

Gebläse zum Trocknen von Holz, Erntegütern usw.; Absauganlagen in Lackierereien

Zu- oder Abfuhr von festen Partikeln

Lackzerstäuber; Absauganlagen in Gießereien, Keramik-, Holz- und Papierindustrie; Staubsauger

Zufuhr von Frischluft und Abfuhr von Abgasen

Verbrennungsluft- und Rauchgasgebläse; Tunnelbelüftung

Zufuhr von Frischluft und Klima- und Lüftungsanlagen für Menschen und Abfuhr der verbrauchten Luft Tiere Erzeugung eines Luftstroms

Windkanal; Luftschleieranlage; „Air Knife“

Nachteilig sind die Verschleißanfälligkeit sowie die Lärmentwicklung. Außerdem wird der Volumenstrom nicht kontinuierlich, sondern gepulst gefördert. Zur Flüssigkeitsförderung werden Hubkolbenpumpen oder auch Membranpumpen für relativ kleine Fördermengen bei hohen Drücken oder größeren Saughöhen eingesetzt.

152

5 Stationäre Antriebe Arbeitsmaschine zur Fluidförderung Verdrängungsmaschine Oszillierender Verdränger Hubkolben (-verdichter, -pumpe) Membran (-verdichter, -pumpe)

Rotierender Verdränger Durchströmung meridional (z.B. Flüssigkeitsring-Verdichter; ROOTS-Gebläse; Zahnradpumpe)

Durchströmung axial (Schraubenverdichter) 26138-A-00 26138-A-00

Strömungsmaschine (Turboverdichter; Kreiselpumpe) Durchströmung axial Durchströmung diagonal Durchströmung radial

Abb. 5.2. Systematik der Bauformen von Maschinen zur Fluidförderung

Einlassventil

Auslassventil

26535-A-08 26535-A-08

Abb. 5.3. Luftgekühlter einfach wirkender Tauchkolbenverdichter

5.2 Fördern von Fluiden

153

Maschinen mit rotierendem Verdränger gibt es in ein- oder zweiwelliger Ausführung, wobei der Strom des zu fördernden Fluids meridional (also in Umfangsrichtung) oder axial gerichtet sein kann. Von den einwelligen Maschinen wird der Flüssigkeitsringverdichter (Abb. 5.4) zur Erzeugung von Vakuum (bis herab zu 80 mbar) verbreitet eingesetzt. In einem zylindrischen Gehäuse dreht sich ein exzentrisch gelagertes Schaufelrad. Das im Gehäuse befindliche Wasser wird ebenfalls in Drehung versetzt und bildet infolge der Zentrifugalkraft einen Flüssigkeitsring. Die Schaufeln tauchen darin ein, wodurch sich eine wirksame und dabei wenig verschleißanfällige Abdichtung ergibt. Das Druckverhältnis stellt sich aufgrund der unterschiedlichen Größe der Kammern in der Eintritts- und der Austrittszone ein. Ventile werden nicht benötigt.

Abb. 5.4. Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe (Quelle: Busch Vakuumpumpen und Systeme)

Zweiwellige Maschinen mit meridionalem Förderstrom werden z.B. in der Bauform nach ROOTS als Gebläse für Druckverhältnisse bis etwa 2,5 und Förderleistungen bis 20 m³/s verwendet (Abb. 5.5). Es handelt sich dabei um eine ventillose Verdrängermaschine ohne interne Verdichtung. Zwei formidentische zwei- oder dreiflügelige Kolben rotieren, verbunden über ein Synchrongetriebe, gegeneinander in einem zylindrischen Gehäuse. Dadurch entstehen umlaufende Förderräume. Der Druck des darin eingeschlossenen Gases erhöht sich erst, sobald ein Förderraum in Verbindung mit der Aus-

154

5 Stationäre Antriebe

trittsöffnung kommt und von dort eine Rückströmung einsetzt. Dies führt zu starker Lärmentwicklung und einem relativ niedrigen Wirkungsgrad.

Abb. 5.5. ROOTS-Gebläse, dreiflügelig (Quelle: Wikipedia)

Der häufig verwendete Schraubenverdichter ist eine zweiwellige Maschine mit axialem Förderstrom (bis 50 m³/s möglich). Ein schraubenförmiger Hauptläufer und ein komplementär geformter Nebenläufer stehen miteinander in Eingriff (Abb. 5.6) und drehen sich über ein Synchrongetriebe gegeneinander. Aufgrund der Geometrie der beiden Läufer wird das angesaugte Gas beim axialen Voranschieben zwischen Eintritts- und Austrittsseite kontinuierlich verdichtet. Das Druckverhältnis liegt konstruktiv fest; erreicht werden bis 22 bei Öleinspritzung im Saugstutzen (Vorteile: verbesserte Abdichtung sowie Wärmeabfuhr). Trockenlaufende Schraubenverdichter können dagegen nur für Druckverhältnisse bis etwa 4,5 gebaut werden.

Abb. 5.6. Läuferpaar eines Schraubenverdichters (Quelle: RKR)

5.2 Fördern von Fluiden

155

In Strömungsmaschinen wird ein kontinuierlich strömendes Fluid von einem mit Schaufeln bestückten Rotor beschleunigt. Der entsprechende Zuwachs an kinetischer Energie stellt den Hauptanteil der primär übertragenen Energie dar. Je nach den konstruktiven Gegebenheiten und den damit zusammenhängenden Strömungsverhältnissen wird danach sekundär ein mehr oder weniger großer Teil der kinetischen Energie in potenzielle Energie (gekennzeichnet durch den statischen Fluiddruck) umgewandelt. Bei gegebener Drehzahl hängt das erzielte Druckverhältnis von dem durchgesetzten Volumenstrom in anderer Weise ab als bei einer Kolbenmaschine, s. Abb. 5.7.

Druckverhältnis Ψ

Kolbenmaschine

Strömungsmaschine

26139-A-00 26139-A-00

1 0

Volumenstrom

Abb. 5.7. Druckverhältnis in Abhängigkeit vom Volumenstrom bei Strömungs- und Kolbenmaschinen (qualitativ)

Aufgrund des rascheren Durchsatzes des Fluids ist die interne Wärmeabgabe an die Maschine deutlich geringer als bei Verdrängungsmaschinen. Zum Ansaugen aus dem Unterdruck sind Strömungsmaschinen nur sehr begrenzt in der Lage Von der Bauweise her werden je nach Durchströmrichtung zwei Grundtypen unterschieden (s. Abb. 5.8): 1. Axialmaschinen und 2. Radialmaschinen Als Zwischenform gibt es Diagonalmaschinen, die auch hinsichtlich ihrer Eigenschaften zwischen den beiden Idealtypen liegen.

156

5 Stationäre Antriebe Bauform: axial

radial

Abb. 5.8. Grundtypen von Strömungsmaschinen (Quelle: Wikipedia)

Bei den Axialmaschinen wird das Fluid nur in axialer sowie in tangentialer Richtung beschleunigt. Meist wird die tangentiale Bewegung anschließend in feststehenden Leitschaufeln umgelenkt und teilweise zugunsten der sekundären Druckerhöhung abgebremst. Mit einer solchen Stufe, bestehend aus Laufrad und Leitrad, lassen sich nur niedrige Druckverhältnisse (bei Flüssigkeiten bis etwa 2, bei Gasen unter 1,1) erreichen. Dafür haben Axialmaschinen den Vorteil, dass mehrere Stufen unmittelbar aneinander anschließen können. Vielstufige Axial-Turboverdichter erreichen auf diese Weise Druckverhältnisse von mehr als 10. Dabei ist die gesamte Beschaufelung aus Lauf- und Leitschaufeln in einem einzigen sich verjüngenden Ringraum angeordnet, den das Fluid axial durchströmt, so dass es nicht umgelenkt werden muss. Axialmaschinen eignen sich besonders gut für große Volumenströme (bis zu etwa 10³ m³/s bei großen Kühlturmventilatoren). Bei den Radialmaschinen strömt das Fluid in axialer Richtung ein und wird in radialer Richtung umgelenkt. Durch die Rotordrehung erfolgt eine Beschleunigung sowohl in tangentialer als auch in radialer Richtung nach außen. Bei dieser Bewegung wirkt auf das Fluid eine zusätzliche Zentrifugalkraft, die einen zusätzlichen Druckanstieg zur Folge hat. Beim Abströmen wird das Fluid ! manchmal über ein Leitgitter ! in einem sich erweiternden Spiralgehäuse geführt, wodurch ein Teil der kinetischen Energie in potenzielle Energie umgewandelt wird. Mit diesem Wirkprinzip lassen sich in einer Radialstufe sehr viel höhere Druckverhältnisse (bei Flüssigkeiten bis über 10, bei Gasen bis zu etwa 1,6) erreichen als in einer Axialstufe. Dafür ist die Hintereinanderschaltung mehrerer Stufen aufwändiger, da hier das

5.2 Fördern von Fluiden

157

Fluid prinzipbedingt nach jeder Stufe umgelenkt werden muss. Andererseits ergibt sich damit bei mehrstufigen Radialverdichtern die Möglichkeit der Zwischenkühlung nach jeder Stufe, womit dann ebenfalls Druckverhältnisse von mehr als 10 erreicht werden. Die Energieverluste von Fluidfördermaschinen entstehen als: • Mechanische Verluste durch Reibung bewegter Maschinenteile wie Lager, Kolben u.ä. • Strömungsverluste durch Reibung von Fluidteilen, entweder beim Strömen entlang mechanischer Teile (z.B. Schaufeln) oder infolge von Verwirbelung • Spaltverluste durch Rückströmung von der Druckzone in die Saugzone verringern den effektiv geförderten Fluidstrom. Das rückströmende Fluid wird wieder vom Austrittsdruck auf den Eintrittsdruck durch Drosselung entspannt und gibt dabei seine Energie durch Reibung ab. Das Ausmaß dieser Verluste drückt sich im Wirkungsgrad der Arbeitsmaschine aus:

ηArb =

PNutz . Pmech

(5.9)

Dementsprechend ist die zum Antrieb einer Arbeitsmaschine aufzubringende mechanische Leistung Pmech stets größer als die Nutzleistung. Die höchsten Wirkungsgrade von ca. 90 % besitzen langsam laufende Hubkolbenmaschinen sowie große Strömungsmaschinen im Bestpunkt. Bei Strömungsmaschinen kann sich der Wirkungsgrad beträchtlich verschlechtern, wenn der Betriebspunkt vom Auslegungspunkt abweicht. Besonders niedrige Wirkungsgrade von teilweise unter 40 % sind bei gewissen rotierenden Verdrängungsmaschinen wie ROOTS-Gebläsen anzutreffen, außerdem kommen sie bei sehr kleinen Ventilatoren und Pumpen vor. Die Verluste werden in Wärme umgesetzt. Bei Verdrängungsverdichtern wird diese soweit wie möglich durch Maschinenkühlung abgeführt, was sich wegen der Kompressibilität des zu verdichtenden Fluids vorteilhaft auf den Nutzleistungsbedarf auswirkt. Hinzu kommt bei mehrstufigen Kolben- und Radialverdichtern die Möglichkeit der Zwischenkühlung. Der nicht abgeführte Teil der Verluste erhöht den thermischen Energieinhalt des geförderten Fluids.

158

5.2.4

5 Stationäre Antriebe

Betriebsverhalten von Kreiselpumpen

5.2.4.1 Hydraulische Förderleistung

Das Erhöhen des Druckes einer Flüssigkeit kann je nach Aufgabenstellung verschiedenen Zwecken dienen: • Wird von einem drucklosen Behälter in einen anderen gefördert, dessen Flüssigkeitsspiegel um die geodätische Höhendifferenz Hgeo höher liegt (sog. „Freispiegelförderung“), so ist dazu eine „geodätische“ Druckerhöhung Δpgeo = ρ g Hgeo

(5.10)

erforderlich. • Soll Flüssigkeit in einen Behälter gebracht werden, der gegenüber der Umgebung einen Überdruck aufweist, so bedarf es einer entsprechenden Erhöhung Δpstat des statischen Druckes. • Soll Flüssigkeit mit einer erhöhten Geschwindigkeit c2 z.B. aus einer Düse austreten, so ist dafür der dynamische Druck

Δpdyn =

ρ 2

(c

2 2

− c12 ) ≡ Δekin

(5.11)

aufzubringen. Diese Größe ist identisch mit dem volumenspezifischen Inhalt an kinetischer Energie. • Jegliche Strömung von Fluiden ist wegen der Reibung (Dissipation) mit einem Druckabfall verbunden. In einem glatten Rohr der Länge L und der Innenweite D beträgt er unter der Voraussetzung turbulenter Strömung einer inkompressiblen Flüssigkeit

Δpdiss =

8ρλ L 2 V . π 2 D5

(5.12)

Die Rohrreibungszahl λ ist dimensionslos, ihr Wert liegt für ein mit 1 m/s durchströmtes 1"-Wasserrohr bei rd 0,025. Die insgesamt für eine Förderaufgabe notwendige Druckerhöhung Δpges kann sich aus den genannten Anteilen zusammensetzen:

Δpges = Δpgeo + Δpstat + Δpdyn + Δpdiss .

(5.13)

Während der geodätische, der statische und der dynamische Anteil nicht

5.2 Fördern von Fluiden

159

vom Volumenstrom abhängen, besteht für den durch die Strömungswiderstände bedingten Druckabfall eine quadratische Abhängigkeit. In dem sehr häufig vorkommenden Fall, dass ein Fluidstrom in einem Rohrnetz umgewälzt wird (wie bei allen Heiz- und Kühlwasserkreisen), stellt der dissipative Druckabfall den einzigen Posten dar.

Druckerhöhung

Die aufzubringende Druckerhöhung in Abhängigkeit vom Volumenstrom ist qualitativ in Abb. 5.9 dargestellt. Sie wird als „hydraulische Kennlinie“ oder „Rohrnetzkennlinie“ bezeichnet.

Arbeitspunkt

Phy; diss

Δpdiss

Δpgeo+stat+dyn

Phy; geo+stat+dyn 0

26140-A-00 26140-A-00

Volumenstrom

Abb. 5.9. Widerstandskennlinie für eine Förderaufgabe (qualitativ)

Häufig wird anstelle der Druckerhöhung die äquivalente Förderhöhe verwendet:

H=

Δp . ρg

(5.14)

Im Falle einer inkompressiblen Flüssigkeit ist eine hydraulische Förderleistung erforderlich, die nach Gl. (5.5) gleich dem Produkt aus dem geförderten Volumenstrom und der Druckerhöhung ist:

Phy = Δp V .

(5.15)

Für einen gegebenen Betriebspunkt auf der Kennlinie stellt sich die hydraulische Leistung folglich als Fläche dar. Die Aufteilung ist entsprechend den Anteilen der einzelnen Druckdifferenzen möglich.

160

5 Stationäre Antriebe

5.2.4.2 Pumpenkennlinien

Im Folgenden wird der entsprechende Zusammenhang zwischen Druckerhöhung und Volumenstrom für eine Kreiselpumpe hergeleitet. In einer ersten Betrachtungsstufe kann man hierfür von der idealisierten Annahme einer eindimensionalen reibungs- und wirbelfreien „Fadenströmung“ ausgehen. Abb. 5.10 zeigt im oberen Teil einen Querschnitt durch ein Pumpenlaufrad mit den zugehörigen Geschwindigkeitsvektoren des Fluids G am Eintritt (Index 1) und am Austritt (Index 2). Die Absolutgeschwindigkeit c des Fluids (von einem festen Beobachtungspunkt aus gesehen) Glässt sich in zwei Komponenten unterteilen: die Umfangsgeschwindigkeit u des Lauf-

1

β1

G r1

G1 u

β2

2

wG

G c1

26265-A-02 26265-A-02

G w2

rG

2

G2 c

Laufschaufeln Strömungsfaden Laufradausschnitt: uG

ω

Geschwindigkeitsdreieck am Austritt:

G u2

β2

Gw 1 G2 c G c2m

vergrößert Volumenstrom: verringert

G c2u Abb. 5.10. Strömungsgeschwindigkeiten im Laufrad einer Kreiselpumpe (qualitativ)

5.2 Fördern von Fluiden

161

G

rades und die Relativgeschwindigkeit w des Fluids von einem Beobachtungspunkt auf dem Laufrad aus gesehen: G G G c = u+ w. (5.16) Außerdem lässt sich die Absolutgeschwindigkeit in die tangentiale Umfangskomponente (u) und die radiale „Meridial“-Komponente (m) zerlegen: G G G (5.17) c = cu + cm Im unteren Teil von Abb. 5.10 sind die entsprechenden Geschwindigkeitsdreiecke für den Laufradaustritt wiedergegeben. Aus den geometrischen Verhältnissen dieser Dreiecke geht hervor:

c2u = u2 −

c2m . tan β 2

(5.18)

Wird der Volumenstrom V variiert, bei konstanter Drehzahl und damit auch G gleich bleibender Umfangsgeschwindigkeit u des Laufrades, so ergibt sich die Verschiebung des oberen Eckpunktes der Geschwindigkeitsdreiecke aus folgenden Überlegungen: • Da der Schaufelwinkel β als konstruktive Größe festliegt, bleibt die RichG tung der Relativgeschwindigkeit w gleich. • Die Meridialgeschwindigkeit hängt mit dem Volumenstrom über die Größe der Durchtrittsfläche A zusammen:

c2m =

V A2 .

(5.19)

Damit verändert sich der Betrag der Meridialgeschwindigkeit proportional zum Volumenstrom; ihre Richtung ist immer senkrecht zur Umfangsbewegung. Eine Aussage über die Energieumsetzungen erhält man mit Hilfe der EULERschen Hauptgleichung der Strömungsmaschinen. Sie besagt, dass das vom Laufrad an das Fluid übertragene Schaufelmoment unter den oben genannten idealisierten Annahmen gleich dem Produkt aus dem Massenstrom des Fluids und dessen Dralländerung ist: GG  Δ ( r cu ) = m  ( r2 c2u − r1 c1u ) . (5.20) MSch,id = m Der Drall bei der Einströmung ist im allgemeinen sehr gering ( c1u ≈ 0 ), so dass nur der Term für den Laufradaustritt zu berücksichtigen ist. Mit

u=ωr und

(5.21)

162

5 Stationäre Antriebe

P =ω M

(5.22)

erhält man für die vom Laufrad an das Fluid übertragene ideale Schaufelleistung:

 2 c2u . PSch,id = mu

(5.23)

Dies ist eine hydraulische Leistung, so dass sich über Gl. (5.15) für die vom Laufrad der Pumpe bewirkte Druckerhöhung des Fluids im behandelten Idealfall ergibt:

⎛ ⎞ V ΔpSch,id = ρ u22 ⎜ 1 − ⎟. A u tan β 2 2 2 ⎝ ⎠

(5.24)

Hierbei ist die Dichte ρ der Flüssigkeit gemäß Gl.(5.4) eingesetzt. Kreiselpumpen werden gewöhnlich mit flacher, rückwärts gekrümmter Beschaufelung gebaut, so dass der Schaufelwinkel β2 am Austritt des Laufrades deutlich kleiner als 90° ist. Unter dieser Voraussetzung ist tan β 2 > 0 , und damit wird ΔpSch,id am größten für V = 0 , d.h. wenn die Pumpe gegen geschlossenen Schieber fördert. Mit wachsendem Volumenstrom geht die Druckerhöhung linear zurück. In Abb. 5.11 ist der Verlauf von ΔpSch,id in Abhängigkeit vom Volumenstrom qualitativ aufgetragen. Die von einer Pumpe tatsächlich aufgebrachte Druckerhöhung in Abhängigkeit vom Volumenstrom wird in aller Regel durch Messungen auf dem ( )

ΔpSch,id V

(Ideale Druckerhöhung)

Druckerhöhung

Minderleistung infolge endlicher Schaufelzahl

( )

ΔpPu V

Hydraulische Kanalströmungs-Verluste

(Drosselkennlinie)

Stoßverluste Auslegungspunkt

26266-B-06 26266-B-06

Volumenstrom

Abb. 5.11. Entstehung der Drosselkennlinie einer Kreiselpumpe (qualitativ)

5.2 Fördern von Fluiden

163

Prüfstand ermittelt, indem man den Volumenstrom durch Drosselung variiert. Aus diesem Grund werden die realen Kennlinien ΔpPu V einer Pumpe oft als „Drosselkennlinien“ bezeichnet.

( )

Die Unterschiede zwischen der Idealkennlinie ΔpSch,id und der Drosselkennlinie ΔpPu sind im wesentlichen durch drei Einflüsse begründet (s. Abb. 5.11): a. Minderleistung infolge endlicher Schaufelzahl: Die eingangs getroffenen Annahmen implizieren einen „schaufelkongruenten“ Strömungsverlauf, der jedoch nur für unendlich dicht beieinander liegende Schaufeln zutreffen würde. In Wirklichkeit hat der Raum zwischen zwei Schaufeln eine gewisse tangentiale Ausdehnung; außerdem haben die Schaufeln selbst auch eine gewisse Dicke. Das führt zu einer Veränderung der Strömungsverhältnisse mit der Folge, dass sich die mit einer Pumpe erreichbare Druckerhöhung verringert. Diese Verminderung hängt in erster Näherung linear vom Volumenstrom ab. b. Hydraulische Kanalströmungs-Verluste: Die Fluidreibung an den Schaufelwänden und an den sonstigen Flächen von Saug- und Druckstutzen sowie infolge von Verwirbelung äußert sich in einer weiteren Verringerung der erreichbaren Druckerhöhung und hängt quadratisch vom Volumenstrom ab, vgl. Gl. (5.12). c. Stoßverluste: Weicht der Betriebspunkt vom Auslegungsfall ab, d.h. wird die Pumpe mit einem anderen als dem Nenndurchsatz VN betrieben, so stimmen die Anström- bzw. Abströmwinkel des Fluids nicht mehr mit den Schaufelwinkeln am Eintritt bzw. Austritt des Laufrades überein. Das führt zu Verzögerungs- oder Beschleunigungsstößen mit der Folge zusätzlicher Reibungsverluste, hauptsächlich durch Verwirbelung. Der daraus resultierende weitere Rückgang der erreichbaren Druckerhöhung hängt quadratisch von der Abweichung des Volumenstroms vom Nenn2 wert, V − VN ab. Zusätzlich treten noch Spaltverluste auf, da die Zwischenräume zwischen Laufrad und Gehäuse nicht vollkommen abgedichtet werden können. Dieser Posten ist aber ebenso wie andere Verlustarten (Radreibung, Lager- und Stopfbuchsenreibung) von untergeordneter Bedeutung. Der Verlauf der tatsächlichen Pumpenkennlinie (Drosselkennlinie) kann je nach Bauart und Gestaltung der Schaufeln unterschiedlich aussehen. Dies betrifft insbesondere den Bereich kleiner Durchsätze; hier kann ΔpPu auch ein Maximum für V > 0 aufweisen. Aus der Drosselkennlinie der Pumpe ergibt sich gemäß Gl. (5.15) der Verlauf der hydraulischen Förderleistung über dem Volumenstrom. Wie aus

164

5 Stationäre Antriebe

Abb. 5.12 ersichtlich, weist die hydraulische Förderleistung ein ausgeprägtes Maximum auf, das normalerweise rechts vom Auslegungspunkt liegt. Die Nullwerte liegen zum einen bei dem Volumenstrom, der einer Druckerhöhung von Null entspricht, und zum anderen beim Volumenstrom von Null, also beim Betrieb gegen geschlossenen Schieber.

en mp Pu

k w ir

gra gs un

d

eb ntri h. A Mec

H

0

rl rde Fö . r yd

t eis

n stu slei

g

g un

26142-A-02 26142-A-02

Volumenstrom

Abb. 5.12. Leistung und Wirkungsgrad einer Kreiselpumpe bei Nenndrehzahl (qualitativ)

Die Leistung, die mechanisch über die Antriebswelle der Pumpe zugeführt werden muss, beinhaltet zusätzlich zu der hydraulischen Förderleistung noch den Aufwand zur Deckung der Verluste infolge Reibung und Verwirbelung des Fluids sowie der übrigen Reibungsanteile. Auch der Betrieb gegen geschlossenen Schieber ( V = 0 ) erfordert wegen intensiver Rezirkulationsströmung etwa die Hälfte der Antriebsleistung im Auslegungspunkt. Mit zunehmendem Volumenstrom werden die Verluste zunächst absolut kleiner; der Bedarf an mechanischer Antriebsleistung steigt etwas stärker als linear an. Der Pumpenwirkungsgrad ergibt sich gemäß Gl. (5.9) als Quotient aus der hydraulischen Förderleistung (= Nutzleistung) und mechanischer Antriebsleistung (= Aufwand). Es ergeben sich die gleichen Nullwerte wie bei der hydraulischen Förderleistung. Das Optimum des Pumpenwirkungsgrades liegt normalerweise etwa beim Auslegungspunkt.

5.2 Fördern von Fluiden

165

5.2.4.3 Variation der Drehzahl

Die Drosselkennlinie einer Kreiselpumpe bei einer veränderten Läuferdrehzahl n geht aus der Drosselkennlinie bei der Auslegungsdrehzahl n0 punktweise durch folgendes Abbildungsgesetz hervor:

n  V ( n ) = ⋅ V ( n0 ) ; n0

(5.25)

2

⎛ n⎞ Δp ( n ) = ⎜ ⎟ ⋅ Δp ( n0 ) . ⎝ n0 ⎠

(

(5.26)

)

Zu jedem Punkt Δp ( n0 ) ; V ( n0 ) der Drosselkennlinie bei der Auslegungsdrehzahl gibt es somit einen Äquivalenzpunkt Δp ( n ) ; V ( n ) der Drosselkennlinie bei der veränderten Drehzahl. Die Äquivalenzpunkte liegen jeweils auf einer Parabel.

(

)

Abbildung 5.13 zeigt die Schar der Drosselkennlinien bis herab zur halben Auslegungsdrehzahl. Der Pumpenwirkungsgrad ηPu verändert sich entlang der jeweils zueinander gehörigen Äquivalenzpunkte nur wenig. Angenähert gilt:

Druckerhöhung

Relative Drehzahl n/n0 =

80 %

1

0,9

0,8 0,7

40 % 60 % 70 % 75 %

0,5

78 %

0,6

% 75 0 % % 7 60 % Pumpenwirkungsgrad ηPu = 40

0

26141-B-07 26141-B-07

Volumenstrom

Abb. 5.13. Drosselkennlinien einer Kreiselpumpe bei verschiedenen Drehzahlen (qualitativ)

166

5 Stationäre Antriebe

1 − ηPu ( n )

1 − ηPu ( n0 )

⎛ n⎞ ≈⎜ ⎟ ⎝ n0 ⎠

−0,1

.

(5.27)

Dieser Zusammenhang ist in Abb. 5.14 dargestellt. Je höher der Wirkungsgrad bei der Auslegungsdrehzahl ist, desto weniger geht er bei Drehzahlreduzierung zurück. 100% 26523-A-07 26523-A-07

90%

80%

Pumpenwirkungsgrad

70%

60%

50%

40%

30%

20%

10%

0% 0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

Normierte Drehzahl

Abb. 5.14. Veränderung des Pumpenwirkungsgrades mit der Drehzahl

5.2.4.4 Regulierung des Förderstroms

Eine häufig gestellte Aufgabe lautet: In einem gegebenen Rohrnetz (z.B. Gebäudeheizung, Kühlwassersystem) soll der Volumenstrom V variiert werden. Wie im oberen Teil von Abb. 5.15 schematisch skizziert, kann dies auf dreierlei Arten realisiert werden. Im unteren Teil ist im Δp, V - Diagramm dargestellt, wie sich im Falle einer Reduzierung des Volumenstroms von V1 auf V2 der jeweilige Arbeitspunkt von 1 nach 2a, 2b bzw. 2c verlagert.

5.2 Fördern von Fluiden

1

167

2a

1

2b

1

Drosselung

Drehzahlstellung

2c

Bypass

26143-B-02 26143-B-02

Druckerhöhung

Widerstandskennlinien:

Rohrnetz + Drossel Rohrnetz

2b 1 P2,hy;Drossel hy;Drossel

Rohrnetz mit Bypass 2a

2c Pumpenkennlinien:

P2,hy;Rohrnetz

für n1 für n2a

P2,hy;Bypass

0

V2

V1

Volumenstrom

Abb. 5.15. Veränderung des Arbeitspunktes bei Reduzierung des Volumenstroms in einem Rohrnetz (qualitativ)

a. Drehzahlstellung: Der hydraulische Gesamtwiderstand der Anordnung bleibt gleich. Daher wandert der Arbeitspunkt auf der ursprünglichen Rohrnetzkennlinie bis zum Schnittpunkt mit der Pumpenkennlinie für die veränderte Drehzahl (Punkt 2a). Die von der Pumpe abzugebende hydraulische Leistung P2,hy,Rohrnetz ist als Fläche ersichtlich. b. Drosselung: Hier wird die Verringerung des Volumenstroms durch einen zusätzlichen hydraulischen Widerstand im Fließweg erreicht. Die resultie-

168

5 Stationäre Antriebe

rende Kennlinie „Rohrnetz + Drossel“ verläuft somit steiler. Der Schnittpunkt mit der Pumpenkennlinie ergibt den Arbeitspunkt 2b. An hydraulischer Leistung ist hierbei zusätzlich der Betrag P2,hy,Drossel aufzubringen, da der Volumenstrom einen erhöhten Strömungswiderstand überwinden muss. c. Bypass: Die dritte Möglichkeit besteht in der hydraulischen Parallelschaltung eines Strömungswiderstandes, was zu einer flacheren resultierenden Kennlinie „Rohrnetz mit Bypass“ führt. Der Schnittpunkt mit der Pumpenkennlinie ergibt den Arbeitspunkt 2c. Die Pumpe hat die gleiche Druckerhöhung aufzubringen wie im Fall a, so dass durch das Rohrnetz der Volumenstrom V2 gefördert wird. Jedoch ist im Fall c noch ein zusätzlicher Volumenstrom durch den Bypass zu fördern, wodurch sich die hydraulische Leistung gegenüber dem Fall a um P2,hy,Bypass erhöht. Der Verlauf der hydraulischen Förderleistung sowie der mechanischen Antriebsleistung ist für die drei Methoden in Abb. 5.16 über dem Volumen140% 26527-A-07 26527-A-07

120%

Methode: Bypass 100%

Leistungen

Drosselung 80%

Mechanische Leistung

60%

40%

Hydraulische Leistung Drehzahlstellung

20%

0% 0%

20%

40%

60%

80%

100%

Volumenstrom

Abb. 5.16. Mechanische Antriebsleistung und hydraulische Leistung einer Kreiselpumpe bei Reduzierung des Volumenstroms

5.2 Fördern von Fluiden

169

strom gezeigt. Der Volumenstrom ist auf den Auslegungswert normiert, der bei etwa 2/3 der Maximalförderung der Pumpe angesetzt ist. Die Leistungen sind normiert auf die mechanische Antriebsleistung der Pumpe im Auslegungsfall. Die für eine bestimmte Reduzierung des Volumenstroms zusätzlich notwendige hydraulische Leistung ist bei Drosselung durchweg höher als bei der Bypass-Methode. Wegen der sehr unterschiedlichen Pumpenwirkungsgrade kommt jedoch die Methode der Drosselung mit deutlich geringerer Antriebsleistung für die Pumpe aus. Bei einem Volumenstrom von Null (d.h. Förderung gegen geschlossenen Schieber) liegt die Antriebsleistung noch etwa bei der Hälfte des Wertes im Auslegungspunkt. Dagegen erhöht sich bei der Bypass-Methode die mechanische Leistung mit der Reduzierung des Volumenstroms bis auf maximal etwa 4/3 des Auslegungswertes. Der hohe Energiebedarf disqualifiziert die Bypass-Methode in den meisten Fällen, zumal bei starker Reduzierung des Volumenstroms die Gefahr einer Überlastung des Antriebssystems besteht. Die Methode der Drehzahlstellung schneidet bei weitem am besten ab; in erster Näherung verläuft die mechanische Antriebsleistung über dem Volu3 menstrom hier gemäß Pmech ∝ V . Um einen Vergleich des Aufwandes an Endenergie zu erhalten, müssen noch zusätzlich die Verluste im Antriebssystem berücksichtigt werden. Hier büßt die Methode der Drehzahlstellung einige Prozentpunkte ein (Näheres hierzu in Kap. 5.4.2.8).

5.3

Zusammenwirken von Arbeitsmaschine und Antriebssystem

5.3.1

Allgemeine Zusammenhänge

In Abb. 5.17 ist der Verbund aus Antriebssystem und Arbeitsmaschine schematisch dargestellt. Die Kraftmaschine (Motor) als Kernstück des Antriebssystems liefert an ihrer Abtriebswelle mechanische Leistung, die ! ggfs. unter Zwischenschaltung eines Getriebes ! den Bedarf der Arbeitsmaschine deckt. In einigen wenigen Fällen erfolgt der Antrieb der Arbeitsmaschine durch eine thermische Kraftmaschine. Ein Antrieb über Dampf- oder Gasturbine

170

5 Stationäre Antriebe Äußere Vorgaben

Antriebssystem

Schutz, Steuerung, Regelung, Führung

Prozesszustände (z.B. Druck)

U, I, P, f

ϑ

n, α

Stell- und Steuereinheit

Motor

Getriebe

Arbeitsmaschine

26267-A-02 26267-A-02

Abb. 5.17. Komponenten eines elektrischen Antriebssystems

kommt bei sehr großen, dauernd betriebenen Systemen wie Speisewasserpumpen oder Hochofenwindgebläsen in Frage. Der Verbrennungsmotor kommt vorwiegend in Betracht bei mobilen Anwendungen, bei denen eine leitungsgebundene Stromversorgung schwierig und der Einsatz von Akkumulatoren nicht wirtschaftlich ist (z.B. Erdräummaschinen, Straßenbaumaschinen usw.). Ferner kann ein Antrieb durch Verbrennungsmotor dort vorteilhaft sein, wo sich dessen Abwärme günstig verwerten lässt. Des weiteren gibt es verschiedene Bereiche (Hand-Werkzeuge, Baumaschinen, Positionier- und Vorschubantriebe), in denen hydraulische (Arbeitsmedium meist Öl) bzw. pneumatische (Arbeitsmedium Druckluft) Antriebe eine wichtige Rolle spielen. Von den erwähnten Fällen abgesehen, werden für stationäre Antriebe durchweg elektrische Antriebssysteme verwendet. Diese weisen somit eine außerordentlich große Bedeutung auf und sind deshalb alleiniger Gegenstand der folgenden Ausführungen. Ein elektrisches Antriebssystem besteht aus folgenden Hauptbestandteilen (s. Abb. 5.17): 1. Motor als Kraftmaschine, die elektrische Energie in mechanische Arbeit umwandelt; bei elektrischer Bremsung auch umgekehrt 2. Stell- und Steuerglied zwischen der elektrischen Maschine und dem Netz. Das kann im einfachsten Fall ein Schalter zum Ein- und Ausschalten des Motors sein, oder eine Einrichtung zum Anlassen mittels variabler Spannung, oder ein Umrichter zur Erzeugung variabler Frequenz und

5.3 Zusammenwirken von Arbeitsmaschine und Antriebssystem

171

Spannung, um damit die M,n-Kennlinie verstellen zu können. 3. Schutz-, Steuerungs-, Regelungs- und Führungskomponenten, je nach Komplexität des Antriebs. 5.3.2

Drehzahl und Drehmoment

Aufgrund der Energieerhaltung gilt folgende Bilanzgleichung:

PMot = PArb + E kin .

(5.28)

Die vom Motor an der Abtriebswelle abgegebene Leistung deckt den Leistungsbedarf der Arbeitsmaschine27; ein etwaiger Überschuss führt zu einer Erhöhung der im System sämtlicher bewegter Teile gespeicherten kinetischen Energie. Besteht dagegen ein Defizit an gelieferter Leistung, so wird dieses durch Abbau kinetischer Energie ausgeglichen. Die kinetische Energie eines rotierenden Systems hängt vom Trägheitsmoment J sowie von der Winkelgeschwindigkeit ω = 2πn ab:

Ekin =

1 Jω 2 . 2

(5.29)

Folglich ist eine Änderung der kinetischen Energie verbunden mit einer gleichsinnigen Änderung der Drehzahl:

E kin = Jω ω .

(5.30)

Wird eine starre Kopplung zwischen Motor und Arbeitsmaschine vorausgesetzt, so hängen die Drehzahlen beider Teilsysteme zu jedem Zeitpunkt über das Übersetzungsverhältnis i des dazwischen liegenden Getriebes zusammen:

nMot = i nArb .

(5.31)

Das Getriebe dient häufig dazu, einen schnell laufenden Motor an eine langsamer drehende Arbeitsmaschine anzupassen. Da ein Getriebe in aller Regel mit festen Übersetzungsverhältnissen ! ggfs. schaltbar ! arbeitet, ziehen Drehzahlschwankungen der Arbeitsmaschine entsprechende Drehzahlschwankungen des Antriebsmotors nach sich. Die auf einer Welle übertragene mechanische Leistung ergibt sich als Produkt aus Winkelgeschwindigkeit und Drehmoment:

27

Zuzüglich der Verlustleistung eines dazwischen befindlichen Getriebes

172

5 Stationäre Antriebe

Pmech = ω M .

(5.32)

Damit entspricht die Energiebilanz in Gl.(5.28) einer Momentenbilanz (motorseitig gesehen):

MMot =

1 MArb + Mdyn . i

(5.33)

Das dynamische Moment ist die Reaktion der Änderung kinetischer Energie und ergibt sich folglich zu

Mdyn =

E kin

1 ⎛ ⎞ = ⎜ JMot + 2 J Arb ⎟ ω Mot . i ω ⎝ ⎠

(5.34)

Das Trägheitsmoment der Arbeitsmaschine wird dabei mit dem Quadrat des Übersetzungsverhältnisses auf die Motorseite umgerechnet. Statt auf die Motorseite kann die Bilanzierung auch auf die Eingangsseite der Arbeitsmaschine (d.h. auf der anderen Seite des Getriebes) gelegt werden. Das ist dann sinnvoll, wenn das Getriebe eine bauliche Einheit mit dem Motor bildet, wie es bei Getriebemotoren der Fall ist. Dann müssen Drehzahl und Moment des Motors entsprechend umgerechnet werden. Gibt es kein Getriebe (i = 1), so ist eine Unterscheidung irrelevant. Sowohl für den Motor als auch für die belastete Arbeitsmaschine gibt es aufgrund ihres jeweiligen Systemverhaltens eine Abhängigkeit zwischen Drehmoment und Drehzahl. Aus der Bilanzgleichung (5.28) folgt, dass der stationäre Arbeitspunkt sich aus dem Schnittpunkt der beiden Charakteristiken ergibt, s. Abb. 5.18 (motorseitig gesehen). Die Bedingung für die Stabilität eines Arbeitspunktes lautet:

∂MMot 1 ∂MArb < 2 . ∂nMot i ∂nArb

(5.35)

Bezogen auf die Motorabtriebsseite, muss bei einer differenziellen Erhöhung der Motordrehzahl das von der Arbeitsmaschine ausgeübte Widerstandsmoment stärker wachsen als das vom Motor aufgebrachte Antriebsmoment. Dann stellt sich gemäß Gl. (5.33) ein negatives dynamisches Moment ein, das zu einer Abbremsung und damit zu einer Rückkehr auf den stationären Arbeitspunkt führt. Analoge Überlegungen gelten für eine Unterschreitung der Drehzahl. Ferner erklärt sich daraus auch die Instabilität des Betriebspunktes, für den die Ungleichung (5.35) nicht erfüllt ist. Für die stationäre Charakteristik einer belasteten Arbeitsmaschine lassen sich drei Grundtypen unterscheiden, s. Abb. 5.19:

173

26268-A-06 26268-A-06

Drehmoment (motorseitig)

5.3 Zusammenwirken von Arbeitsmaschine und Antriebssystem

Charakteristik des Motors

MMot

Stabiler Arbeitspunkt Instabiler Arbeitspunkt Lastcharakteristik der Arbeitsmaschine

MArb i2

Drehzahl (motorseitig)

Abb. 5.18. Stabilität von Arbeitspunkten im motorseitigen M,n-Kennfeld (qualitativ) M

Typ 1

M % n2

0

n 26269-A-02 26269-A-02

M M % n1 Typ 2

0

n M b) M % n0 a) M % n0·sgn(n)

Typ 3

0

n

Abb. 5.19. Typische Lastcharakteristiken von Arbeitsmaschinen

174

5 Stationäre Antriebe

1. Quadratischer Momentenverlauf: M % n2 , d.h. P % n3. Zugrundeliegende Erscheinung: Fluidreibung bei turbulenter Strömung mit hoher Geschwindigkeit. Tritt auf bei Fluidförderung mit Pumpen, Gebläsen oder Lüftern durch Rohrleitungen oder Kanäle. 2. Linearer Momentenverlauf: M % n1 d.h. P % n2. Zugrundeliegende Erscheinung: Laminare Strömung, z.B. eines Schmiermittels, wird auch als viskose oder Flüssigkeitsreibung bezeichnet. Tritt hauptsächlich in gut geschmierten Lagern bei höheren Drehzahlen auf, daneben auch bei Kalandern für Papier und Textilien. Auch Wirbelstrombremsen, die auf konstanten Lastwiderstand arbeiten, besitzen diese Charakteristik. 3. Konstanter Momentenverlauf: M % n0 , d.h. P % n1. Zugrundeliegende Erscheinungen: a. COULOMBsche (= „trockene“) Reibung, deren Widerstandskraft von der Geschwindigkeit unabhängig ist und die stets der Bewegung entgegen gerichtet ist (durchgezogene Linie). Tritt auf an der Hauptspindel bei allen Arten von Werkzeugmaschinen für spanende Bearbeitung (z.B. Drehen, Fräsen, Bohren, Schleifen), ferner bei Wickelmaschinen, die in der Regel gegen konstanten Zug arbeiten. b. Fördern unter der Wirkung einer konstanten Potenzialkraft, deren Richtung unabhängig von der Drehrichtung ist (gestrichelte Linie). Daher ändert der Leistungsfluss sein Vorzeichen mit der Drehrichtung. Tritt auf bei Hebezeugen aller Art, sowie bei Förderung von Flüssigkeiten in ein höher gelegenes Reservoir oder von Gasen in einen Druckbehälter konstanten Überdruckes. Die drei beschriebenen Charakteristiken sind idealtypisch. In einer realen Arbeitsmaschine treten häufig unterschiedliche Belastungsarten zusammen auf. So ist z.B. eine Drehmaschine nicht frei von Lagerreibung (Kombination der Charakteristiken 3a und 2); oder eine Pumpe, die in einen Hochbehälter fördert, muss auch den Druckabfall in der Leitung kompensieren, der quadratisch vom Volumenstrom und damit von der Pumpendrehzahl abhängt (Kombination der Charakteristiken 3b und 1). In den meisten Fällen ist aber ein Belastungstyp dominant. Die Lastcharakteristik gibt Auskunft darüber, wie sich das Lastmoment der Arbeitsmaschine verhält, wenn die Drehzahl des Antriebssystems geändert wird. Wird dagegen primär ein Betriebsparameter der Arbeitsmaschine geändert, wie z.B. die Beladung bei einem Bandförderer, die Spanungsdicke bei einer Werkzeugmaschine oder die zu überwindenden

5.3 Zusammenwirken von Arbeitsmaschine und Antriebssystem

175

hydraulischen Widerstände in einem Rohrleitungssystem, so ist das zunächst einmal mit einer Änderung der Lastcharakteristik der Arbeitsmaschine verbunden. Ob sich als Folge davon die Drehzahl ändert, ist durch das Antriebssystem (Charakteristik des Antriebsmotors und eventuell wirksame Regelkreise) bestimmt. Es gibt auch Fälle, bei denen sich im Verlauf eines Fertigungsprozesses ein oder mehrere Parameter zwangsläufig ändern. Das betrifft z.B. Haspelantriebe, die Bänder mit konstanter Vorschubgeschwindigkeit und gegen konstante Zugkraft aufwickeln. Mit wachsendem Durchmesser des Haspels nimmt die Drehzahl ab und das Drehmoment zu, die Leistung bleibt konstant. Es wäre jedoch nicht richtig, daraus auf eine hyperbolische M,nCharakteristik ( M % n!1 ) zu schließen; diese ist vielmehr vom Typ 3. Allgemein ergibt sich durch die Berücksichtigung des Einflusses zusätzlicher Parameter eine Schar von M,n-Charakteristiken. Generell müssen die Charakteristiken von Motor und Arbeitsmaschine aufeinander abgestimmt sein (vgl. Abb. 5.18). Dies gilt sowohl für den gewünschten stationären Betriebspunkt als auch für den Anlauf. 5.3.3

Belastung der Antriebsmaschine

Die Kraftmaschine (Antriebsmaschine) muss so bemessen sein, dass sie in allen vorkommenden Situationen stets in der Lage ist, den Leistungsbedarf der Arbeitsmaschine zu decken. Als Nennbetrieb wird der Betriebszustand bezeichnet, bei welchem sich die Antriebsmaschine im stationären Dauerbetrieb aufgrund der dabei herrschenden Verlust- und Kühlungsbedingungen gerade bis an die zulässige Grenze erwärmt. Der Nennbetrieb ist durch die Nenngrößen Drehzahl nN [min-1], Drehmoment MN [Nm] und mechanische Leistung PN [W] an der Abtriebswelle des Motors gekennzeichnet:

PN [ W ] = 2π

nN ⎡⎣ min −1 ⎤⎦ MN [ Nm ] . 60

(5.36)

Hinsichtlich der Kühlung wird unterschieden zwischen • Freier Kühlung, bei der die Verlustwärme der Maschine nur über Konvektion (Kühlrippen) und Strahlung über die Oberfläche nach außen abgegeben wird, • Eigenkühlung, bei der die Verlustwärme an ein strömendes Kühlmittel (meist Luft) abgegeben wird. Die Förderung des Kühlmittels wird dabei durch die Läuferdrehung bewirkt, d.h. entweder durch einen mit dem

176

5 Stationäre Antriebe

Läufer rotierenden Lüfter oder aber durch die zugehörige Arbeitsmaschine (Ventilator oder Pumpe). Die Kühlwirkung ist bei dieser Kühlungsart abhängig von der Drehzahl! • Fremdkühlung, bei der der Lüfterantrieb unabhängig vom Betrieb der Hauptmaschine ist, oder bei der ein anderes fremdbewegtes Kühlmittel am Motor vorbei bewegt wird. Die zulässige Erwärmung einer elektrischen Maschine wird durch die Temperaturbeständigkeit der verwendeten Isolierstoffe bestimmt. Nach VDE 0530 werden mehrere Isolierstoffklassen unterschieden mit jeweils höchstens zulässigen Dauertemperaturen, die von 90 °C bis über 180 °C reichen. Mit Rücksicht auf die Lebensdauer der Maschine ist es sehr wichtig, ein Überschreiten dieser Temperaturen zu vermeiden. Außer dem stationären Dauerbetrieb gibt es auch Arten der Belastung, bei denen das Lastmoment nicht zeitlich konstant ist, sondern zyklisch oder stochastisch variiert. Hier kommen also zu den Phasen konstanter Last die Anlauf-, Beschleunigungs-, Brems- und Stillstandsintervalle hinzu, die mit ihren andersartigen Betriebsbedingungen den zeitlichen Verlauf der Wicklungstemperaturen des Motors entscheidend beeinflussen und deshalb bei der Motorauswahl berücksichtigt werden müssen. In der Norm VDE 0530.1 sind insgesamt neun Betriebsarten (S1 bis S9) aufgeführt, die eine systematische Kombination der verschiedenen Intervallarten beinhalten. Ist die Zeitdauer der Belastungsabschnitte so kurz, dass der thermische Beharrungszustand der Maschine nicht erreicht wird, so kann in diesen Zeiten der Maschine sogar eine höhere Wellenleistung abverlangt werden als es der Nennleistung entspricht, ohne dass damit eine thermische Überlastung verbunden wäre. Bei eigengekühlten Maschinen macht es dabei einen Unterschied, ob in den belastungslosen Intervallen die Maschine im Leerlauf bzw. im Leerbetrieb weiter läuft oder aber abgeschaltet ist. Andererseits sind die Zustände des Anlaufs sowie des elektrischen Abbremsens (und damit auch eine Drehrichtungsumkehr) mit einer gegenüber dem stationären Betrieb erhöhten thermischen Belastung verbunden. Je größer die Schwungmassen sind, die ein Antriebssystem enthält, desto kritischer sind diese Zustände zu bewerten. Um bei einem Motor gegebener Nennleistung eine thermische Überlastung zu vermeiden, können zwei Arten von Einschränkungen erforderlich sein: • eine Reduktion der während der Intervalle konstanter Last abgebbaren Wellenleistung • eine Begrenzung der Häufigkeit von Lastspielen (insbesondere der Abfolge von Anlauf- und Bremsvorgängen).

5.4 Elektrische Antriebssysteme

5.4

Elektrische Antriebssysteme

5.4.1

Allgemeine Übersicht

177

Elektromotoren wandeln elektrische Energie in mechanische Energie um. Die wesentlichen Gründe für ihre weite Verbreitung sind: • der Leistungsbereich umfasst etwa 14 Zehnerpotenzen, nämlich von 10!6 W in elektronischen Armbanduhren bis über 108 W in Pumpspeicherkraftwerken • der Bereich lieferbarer Drehmomente reicht bis über 107 Nm (z.B. für Erzmühlen) • der Bereich lieferbarer Drehzahlen reicht bis über 105 min!1 (z.B. für eine Gaszentrifuge) • die möglichen Betriebsbedingungen sind äußerst vielseitig, z.B. Eigenoder Zwangsbelüftung, vollständige Kapselung, Betrieb unter Flüssigkeit, in explosibler oder radioaktiver Umgebung • sofortige Betriebsbereitschaft und volle Belastbarkeit, da keine Notwendigkeit zum Auftanken oder zum Warmlauf • geringer Wartungsbedarf • hohe Lebensdauer • geringe Beeinträchtigung der Umgebung, da keine Abgase, verhältnismäßig geringe Wärmeabgabe und Lärmentwicklung • vielseitig anpassbares Lastverhalten, z.B. Betrieb in allen vier Quadranten des M,n-Feldes (Drehrichtungsumkehr, Nutzbremsung), unterschiedliche Kennlinienformen, große Überlastfähigkeit, Drehmoment auch im Stillstand • hervorragende Steuerungs- und Regelungsmöglichkeiten (flink, exakt), hinsichtlich Drehmoment, Drehzahl, Rotorlage; direkter Linearantrieb möglich Die hauptsächlich verwendeten Bauarten sind in Tabelle 5.4 aufgeführt. Als speisende Stromsysteme werden Gleichstrom, Einphasen-Wechselstrom sowie Drehstrom verwendet. Dabei sind dem eigentlichen Motor in vielen Fällen noch umformende Komponenten vorgeschaltet, wie Transformator, Gleichrichter, Spannungssteller, Frequenzwandler bzw. eine Kombination aus mehreren dieser Elemente.

KommutatorMotor

Gattung

Art

Motor - Systematik

permanenterregt fremderregt Reihenschluss Einphasen- KommutatorReihenschluss Wechsel- Motor (Universalmotor) strom Reihenschluss (Bahnmotor) Asynchron-Motor Spaltpolmotor Kondensatormotor Synchron-Motor Hysteresemotor Reluktanzmotor Drehstrom KommutatorNebenschluss Motor Asynchron-Motor Käfigläufer Schleifringläufer Linearmotor Synchron-Motor permanenterregt Schenkelpol Vollpol

Gleichstrom

Stromsystem Feinwerktechnik, Kfz-Elektrik, Servoantriebe Werkzeugmaschinen, Hebezeuge, Walzwerke Kfz-Anlasser, Fahrmotor in Bahnen Werkzeuge, Haushaltsgeräte

Haushaltsgeräte, Lüfter, Pumpen Haushaltsgeräte, Pumpen, Gebläse, Werkzeuge Uhrwerke, Feinwerktechnik, Hilfsantriebe Gruppenantriebe in der Textilindustrie, Extruder Druck- und Papiermaschinen, Textilmaschinen Standard-Industrieantriebe, Fahrmotor in Bahnen Hebezeuge, Pumpen, Verdichter Fördertechnik, Schnellbahn Servo-, Gruppenantriebe langsamlaufende Industrieantriebe Verdichter, Mühlen

5 W bis 150 W 50 W bis 2 kW < 1 W bis 20 W 100 W bis 10 kW 1 kW bis 150 kW 100 W bis 50 MW 10 kW bis 10 MW 100 W bid 100 kW 100 W bis 10 kW 10 kW bis 10 MW 100 kW bis 10 MW

Tabelle 5.4.

100 kW bis 1 MW Vollbahnantrieb (16 2/3 und 50 Hz)

< 1 W bis 10 kW 10 kW bis 10 MW 300 W bis 1 MW 50 W bis 2 kW

Leistungsbereich Haupteinsatzgebiete

178 5 Stationäre Antriebe

Arten von Elektromotoren und ihre Anwendungsbereiche

5.4 Elektrische Antriebssysteme

179

Von der Gattung her wird unterschieden zwischen Kommutator-, Asynchron- und Synchronmaschinen. Weitere spezifische Unterscheidungsmerkmale betreffen im wesentlichen die Art und Schaltung der Erregung sowie die konstruktiven Eigenarten des Leitersystems, das sich in dem durch die Erregung hergestellten Magnetfeld bewegt und so die treibende Kraft erzeugt. Spezielle Kommutatormotoren sind der Wechselstrom-Bahnmotor und der Universalmotor, die eine abgewandelte Form des Gleichstrom-Reihenschlussmotors darstellen. Die Vorteile der Reihenschlussmaschine, hohes Anzugsmoment und hohe Drehzahlen, bleiben dabei erhalten. Heute werden als Bahnmotoren jedoch meist Drehstrommotoren unter Einsatz geeigneter Stromrichter verwendet. Die zunehmende Automatisierung und Rationalisierung in der industriellen Produktion und Fertigung stellt ständig steigende Anforderungen an Dynamik, Kostenstruktur, Zuverlässigkeit und Wartungsfreiheit elektrischer Antriebe. In den letzten Jahren ergab sich z.B. in den Bereichen Werkzeugmaschinen, Industrieroboter, Petrochemie u.a. ein hoher Bedarf an elektrischen Servo- und Stellantrieben. Insbesondere im Leistungsbereich < 10 kW haben sich elektrische Servoantriebe gegenüber hydraulischen oder pneumatischen Antrieben aufgrund von Vorteilen des Regelverhaltens, der Genauigkeit, des Wirkungsgrades, der Anpassbarkeit etc. durchgesetzt. Ein elektrisches Servoantriebssystem besteht im wesentlichen aus folgenden Komponenten: • • • • •

Antriebsmotor (Gleichstrom, Synchron, Asynchron), Servoverstärker, Übersetzungsglieder (Getriebe, Hebelarme, Gelenke), Sensoren (Lage/Winkel, Drehzahl, Strom, Moment etc.), Steuerung bzw. Regelung.

Bis vor wenigen Jahren wurden elektrische Servoantriebe ausnahmslos in Gleichstromtechnik ausgeführt (permanent erregte Gleichstrommotoren mit Gleichspannungsstellern in Thyristor- oder Transistortechnik). Aufgrund der Fortschritte bei den Leistungshalbleitern, Mikroprozessoren und Permanentmagneten werden dafür heute in zunehmendem Maße bürstenlose Drehstrommotoren (in erster Linie permanent erregte Synchronmotoren) mit Pulswechselrichtern und hochdynamischen Regelungen eingesetzt.

180

5.4.2

5 Stationäre Antriebe

Drehstrom-Asynchronmotor

5.4.2.1 Bauarten, Wirkungsweise, Spezifikationen

Als Bauarten der Asynchronmaschinen sind der Käfigläufer- und der Schleifringläufer-Motor zu unterscheiden. Nach einer Untersuchung des Zentralverbandes der Elektrotechnischen Industrie besitzt die Drehstrom-Asynchronmaschine mit Käfigläufer (s. Abb. 5.20) einen Anteil von mehr als zwei Drittel aller in Deutschland produzierten Elektromotoren. Der Käfigläufermotor benötigt keine Ankerwicklung und weder Kollektor noch Schleifringe. Durch diesen einfachen und robusten Aufbau begründet, ist die Maschine kostengünstig, betriebssicher und nahezu wartungsfrei. Zudem sind hohe Drehzahlen, ein vergleichsweise geringes Gewicht sowie kleine Trägheitsmomente realisierbar.

Abb. 5.20. Schnitt durch einen Drehstrom-Asynchronmotor (Quelle: SIEMENS)

Das Anzugs- und Drehmoment sowie auch die Drehzahl sind in so weiten Bereichen variierbar, dass sie dem Bedarf vieler Arbeitsmaschinen angepasst werden können. Die Betriebsdrehzahl von Asynchronmotoren ist nach oben durch die Speisefrequenz und die Polzahl, die Leistung im wesentlichen durch den Kühlungsaufwand begrenzt. Gängige Möglichkeiten der Drehzahlverstellung

5.4 Elektrische Antriebssysteme

181

sind die Polumschaltung und die Veränderung der speisenden Frequenz. Dabei wird in zunehmendem Maße moderne Leistungselektronik eingesetzt, so dass sich der Anwendungsbereich von Drehstrom-Asynchronmotoren in der Industrie in den letzten Jahren erheblich erweitert hat. Beim Anschluss eines Käfigläufer-Motors an das öffentliche Niederspannungsnetz sind die Bedingungen der Energieversorgungsunternehmen hinsichtlich der Motorgrößen zu beachten. Größere Motoren dürfen nur mit herabgesetzter Spannung eingeschaltet werden, um den dabei auftretenden Stromstoß zu mildern. Im einfachsten Fall genügt hierzu der Stern-Dreieckschalter. Die Anwendung des Motors mit Käfigläufer findet ihre Grenze dort, wo häufig und unter Last angefahren werden muss, da sich der Rotor durch den Anlaufstrom erheblich erwärmt. Auch das Anlaufmoment reicht für manche Antriebe nicht aus. Diese Nachteile werden vermieden, wenn der Läufer mit einer Drehstromwicklung ausgestattet ist, die über Schleifringe an einen Anlasser geführt wird. Derartige Schleifringläufermotoren eignen sich gut zur Einstellung von Betriebskennlinien, sind aber teurer in Anschaffung und Betrieb. Asynchronmaschinen werden für 230 V, 400 V, 500 V und 690 V Anschlussspannung im Bereich Niederspannung, sowie für 3, 6 und 10 kV im Hochspannungsbereich gebaut. Sehr große Motoren im MW-Bereich, wie sie beispielsweise in der Industrie für Turboverdichter oder Kesselspeisepumpen Verwendung finden, sind üblicherweise als Hochspannungsmotoren konzipiert. Die synchrone Drehzahl liegt i.a. zwischen 3.000 und 500 U/min, je nach der Polzahl. In Abb. 5.21 ist der Nennwirkungsgrad von Käfigläufer-Asynchronmotoren für Niederspannung über der Nennleistung mit der Polzahl als Parameter dargestellt. Auf der Grundlage der bisher üblichen Ausführungsstandards (Effizienzklasse „eff3“) unterscheiden sich die Nennwirkungsgrade von Motoren unterschiedlicher Hersteller um kaum mehr als einen Prozentpunkt. Grundsätzlich erhöht sich mit der Nennleistung eines Motors auch sein Nennwirkungsgrad. Nach den Wachstumsgesetzen nehmen die Eisen- und die Kupferverluste etwa mit der 3. Potenz und das Drehmoment (und damit die Leistung) mit der 4. Potenz der linearen Abmessungen zu. Daher steigen die Maschinenverluste zwar mit der Nennleistung eines Motors an, jedoch weniger als proportional, woraus sich die genannte Grundtendenz erklärt.

182

5 Stationäre Antriebe

100% 26279-A-02 26279-A-02

95%

90%

85%

Nennwirkungsgrad

Polzahl: 2p = 2

80%

4 8

75% 12

70%

65%

60%

55%

50% 0,1

1

10

100

1000

Nennleistung in kW

Abb. 5.21. Nennwirkungsgrade von Drehstrom-Asynchronmotoren in Standardbauweise (Quelle: Forschungsstelle für Energiewirtschaft, München)

Ein weiterer Grund für den Wirkungsgradanstieg über der Nennleistung liegt darin, dass sich mit steigender Motorgröße das Luftspaltvolumen im Verhältnis zum Motorvolumen reduziert. Daher ist bei größeren Motoren der Magnetisierungsstrom, bezogen auf den Nennstrom, geringer. Bei Maschinen mit größerer Polzahl sind auch das Volumen und die Masse größer. Dies führt zu einer Erhöhung der Eisenverluste sowie der magnetischen Streuung und damit zu einem geringeren Wirkungsgrad. Am stärksten wirkt sich das im Bereich kleiner Nennleistungen aus. Bei den Niederspannungsmotoren besteht kein merklicher Unterschied zwischen den einzelnen Spannungsstufen. Im Vergleich dazu ist der Nennwirkungsgrad von Hochspannungsmotoren um 1 bis 2 Prozentpunkte geringer. Der deutlich höhere Isolationsaufwand von Hochspannungsmotoren

5.4 Elektrische Antriebssysteme

183

führt zu einer Vergrößerung des spezifischen Volumens trotz geringerer Stromstärken und folglich zu einer größeren magnetischen Streuung. Daraus resultiert ein höherer Magnetisierungsstrom. Infolge der verschlechterten Wärmeabfuhr durch die dickeren Isolationsschichten hindurch muss das Kühlmittel intensiver umgewälzt werden, wodurch sich die Ventilationsverluste erhöhen. Standardmäßige, ab Lager lieferbare Drehstrom-Asynchronmotoren waren in der Vergangenheit nicht auf besten Wirkungsgrad, sondern auf günstigste Herstellkosten ausgelegt. Somit besteht ein nennenswertes Energiesparpotenzial darin, das Auslegungsziel stärker an der Minimierung des Energieverbrauchs auszurichten. Folgende Maßnahmen können zu einer Reduzierung der Energieverluste von Drehstrom-Asynchronmotoren beitragen: • • • • • •

Dünnere Kernbleche aus verlustärmerem Material Größere Cu-Querschnitte der Ständerwicklung Verwendung von Cu statt Al für den Läuferkäfig Reduzierung des Luftspaltes Verkleinerung des Lüfters Verbesserte Lager

Das europäische Sektorkomitee für elektrische Antriebstechnik, CEMEP, hat mit der Generaldirektion Energie der Europäischen Kommission vereinbart, dass alle 2- und 4-poligen Niederspannungs-Drehstrommotoren von 1 bis 100 kW in Standardausführung nach ihrem Wirkungsgrad klassifiziert werden: • eff3 entspricht der bisher auf dem Markt üblichen Bauweise • eff2 entspricht einem verbesserten Wirkungsgrad • eff1 ist die Klasse der hocheffizienten Motoren Für die Klasseneinteilung wurden Grenzen des Wirkungsgrades bei Volllast festgelegt, s. Abb. 5.22. Die Obergrenze für die Klasse eff3 entspricht etwa den in Abb. 5.21 dargestellten Werten. Damit ein Motor der Klasse eff1 angehören kann, muss sein Volllastwirkungsgrad die eff3-Grenze um einen Betrag übersteigen, der • im untersten Leistungsbereich bei mehr als 5 Prozentpunkten, • im mittleren Leistungsbereich bei etwa 2 Prozentpunkten und • im oberen Leistungsbereich bei etwa 1 Prozentpunkt liegt. Zwischen diesen beiden Festlegungen ist die Klasse eff2 angesiedelt. Die Wirkungsgradklasse wird künftig auf dem Typenschild des Motors ausgewiesen.

184

5 Stationäre Antriebe 100%

26487-A-06 26487-A-06

Nennwirkungsgrad

95%

ff1 se: e Klas

90%

4-polig

f2 : ef sse Kla

85%

s Kla

: se

eff

3

2-polig

80%

75% 1

10

100

Nennleistung in kW

Abb. 5.22. Wirkungsgradklassen von Elektromotoren (nach CEMEP)

Auch betriebswirtschaftlich zahlt sich der Übergang auf einen Motor mit höherer Effizienz in vielen Fällen aus. Das wird schon daran deutlich, dass die Anschaffungskosten eines Drehstrom-Asynchronmotors gemessen an den Stromkosten während seines Betriebes in aller Regel verschwindend gering sind. Durch die Reduzierung des Stromverbrauchs eines eff1-Motors amortisiert sich sein (typischerweise um ein Viertel) höherer Anschaffungspreis umso rascher, je größer die jährliche Betriebsdauer ist. Bei 4000 h/a kann das zu Amortisationsdauern von wenigen Monaten führen. Angesichts der typischen Lebensdauern von 12 Jahren für kleine und 20 Jahren für große Motoren bedeutet das eine große Kosteneinsparung. Die Einsparung an Stromverbrauch und damit Kosten kann sich allerdings dadurch reduzieren, dass sich bei einem Motor mit einem Läuferkäfig aus Kupfer zwar die Läuferverluste verringern, aber gleichzeitig auch der Schlupf. Insbesondere wenn ein quadratischer Verlauf der Drehmomentkennlinie der Arbeitsmaschine vorliegt, führt das zu einer Erhöhung der abgegebenen Leistung, die natürlich auf die Leistungsaufnahme durchschlägt und so die erreichte Einsparung bei den Läuferverlusten mehr oder weniger aufzehren kann.

5.4 Elektrische Antriebssysteme

185

5.4.2.2 Ersatzschaltbild, Stromortskurve

Abbildung 5.23 zeigt im oberen Teil das Ersatzschaltbild (ESB) je Phase für eine Drehstrom-Asynchronmaschine mit Kurzschlussläufer. Die angelegte Klemmenspannung ruft in der Ständerwicklung den Strom I1 mit der primären Kreisfrequenz ω1 hervor (primäre Maschengleichung). Die im Läufer induzierte Spannung hat dagegen eine andere Kreisfrequenz ω2, entsprechend der Bewegung der Läuferstäbe relativ zum Ständerdrehfeld (sekundäre

Abb. 5.23. ESB und Systemgleichungen der Drehstrom-Asynchronmaschine

186

5 Stationäre Antriebe

Maschengleichung). Das Verhältnis der beiden Frequenzen wird als Schlupf s bezeichnet. Die Frequenztransformation führt dazu, dass man im Sekundärkreis des Ersatzschaltbildes den Läuferwiderstand durch den Schlupf dividieren muss. Die Impedanz Z(0) an den (fiktiven!) Klemmenpunkten 0-0´,

Z (0) = R(0 ) + j X (0 )

⎛ ⎞ ⎜ 1 −σ ⎟ = ⎜ ρ1 + j + ⎟ X1 , ρ 2 ⎜ + j⎟ s ⎝ ⎠

(5.37)

lässt sich in Abhängigkeit von der Leerlauf-Reaktanz X1 und den konstruktiven Größen der bezogenen Primär- und Sekundär-Widerstände sowie des Streugrades ausdrücken; ferner geht der Schlupf ein, der bestimmend für den Betriebszustand der Maschine ist. Für die Impedanz Z(1) an den Klemmen 11´ ist noch ein vom Strom IFe durchflossener Querwiderstand RFe zu berücksichtigen, in dem die (lastunabhängigen) Eisenverluste der Maschine umgesetzt werden. Einen Überblick über die möglichen Betriebszustände der DrehstromAsynchronmaschine erhält man am einfachsten durch die Stromortskurve, s. Abb. 5.24. Man erhält sie mit Hilfe der Admittanz −1

Y (1) = Z (1) = Y (0) + GFe

(5.38)

aufgrund der Beziehung

I 1 + I Fe = U 1 Y (1) .

(5.39)

Unter Voraussetzung konstanter Werte für die ESB-Komponenten ist die Stromortskurve ein Kreis. Der OSSANNA-Kreis28 berücksichtigt als Stromortskurve im Gegensatz zum ebenfalls oft verwendeten HEYLAND-Kreis den von Null verschiedenen Ständerwiderstand R1 und gibt damit die Betriebsbereiche prinzipiell richtig wieder. Zwischen dem Leerlaufpunkt L29 und dem Nennpunkt N liegt der normale

28

Benannt nach dem Urheber Johann Ossanna, von 1901-1935 Professor an der Technischen Hochschule München

29

Wegen der mechanischen Verluste hat der Motor tatsächlich auch im Leerlauf einen von Null verschiedenen, allerdings sehr geringen Schlupf.

5.4 Elektrische Antriebssysteme U

187

Zeiger der Klemmenspannung U1

KM

Ströme, bezogen auf Leerlaufstrom IL

S ∝ Pi,mech

ie sl i n ng istu Le

∝M

N 1

−1 ρ Fe

∝ PV2

L 0

ρ1

1

∝ PV1

I

nie omentli Drehm M

∝ PV,Fe

26271-C-06 26271-C-06

≈

ρ1 σ2

≈ σ −1

KG

Markante Betriebspunkte: Bezeichnung L N KM S I KG

Leerlaufpunkt Nennpunkt Kipp-Punkt, motorisch Stillstandspunkt Ideeller Kurzschlusspunkt Kipp-Punkt, generatorisch

Schlupf s= 0 sN + sK 1 "4 - sK

Drehzahl n= n1 nN (1 - sK) n1 0 "4 (1 + sK) n1

Abb. 5.24. Ortskurve des Ständerstroms der Drehstrom-Asynchronmaschine

stationäre Betriebsbereich der Maschine als Motor. Rechts davon erstreckt sich der Anlaufbereich, der vom Stillstandspunkt S aus instationär durchlaufen wird. Zwischen Stillstandspunkt und Ideellem Kurzschlusspunkt I liegt der Bereich der Gegenstrombremsung. Der generatorische Betriebsbereich beginnt unterhalb des Leerlaufpunktes, wo der Schlupf negativ wird, der Rotor also übersynchron läuft und somit mechanisch angetrieben werden muss (negatives Drehmoment). Unterhalb der imaginären Achse hat dann der Strom eine negative Wirkkomponente, die Maschine gibt also über ihre Klemmen elektrische Wirkleistung ab. 5.4.2.3 Drehzahl und Schlupf

Im Leerlaufpunkt L hat der Läufer die gleiche Drehzahl wie das umlaufende Ständerdrehfeld, die Relativbewegung zwischen beiden ist Null. Die Maschine dreht mit synchroner Drehzahl. Dann werden keine Ströme mehr induziert, so dass auch kein Drehmoment auf den Läufer wirkt.

188

5 Stationäre Antriebe

Generell hängen die Drehzahlen von Ständerdrehfeld n1, Läuferdrehfeld n2 und der Läuferdrehung n in folgender Weise zusammen:

n1 = n + n2 .

(5.40)

Der Schlupf s bezeichnet das Verhältnis zwischen der sekundären und der primären Speisefrequenz und folglich auch die normierte Abweichung zwischen der synchronen Drehzahl n1 des Drehfeldes und der Läuferdrehzahl n des Motors:

s=

ω2 n =1− . ω1 n1

(5.41)

Folglich ist die Drehzahl des Läufers:

n ⎡⎣ min −1 ⎤⎦ =

60 ⋅ f1 [ Hz ] p

⋅ (1 − s )

(5.42)

5.4.2.4 Leistungen

Die Stromortskurve hat den großen Vorteil, dass man unter gewissen Vereinfachungen30 für jeden Betriebspunkt sehr einfach die Leistungsbilanz ersehen kann:

Pzu,el = Pi,mech + PV2 + PV1 + PV,Fe .

(5.43)

Die für die Aufteilung maßgebenden Linien heißen „Leistungslinie“ und „Drehmomentlinie“. Sie verlaufen zwischen den Punkten L und S bzw. L und I näherungsweise als Gerade. Die über den Luftspalt übertragene Leistung heißt Drehfeldleistung:

PD = Pi,mech + PV2 .

(5.44)

Sie wird im ESB in dem Sekundärwiderstand R2′ s umgesetzt und lässt sich daher mit Hilfe von Gl.(5.37) ausdrücken:

PD =

30

(1 − σ ) ρ 2 s 3U 2 . ⋅ X1 (σ s − ρ1 ρ 2 )2 + ( ρ 2 + ρ1 s )2

(5.45)

In dieser Bilanz sind die sog. „Zusatzverluste“ nicht eigens ausgewiesen. Da diese vom Quadrat des Stromes abhängen, kann man sie im wesentlichen den StänderKupferverlusten PV1 zuschlagen.

5.4 Elektrische Antriebssysteme

189

Für ihre Aufteilung in die innere mechanische Leistung und Läuferverluste gilt:

PV2 = s PD ;

(5.46)

Pi,mech = (1 − s ) PD .

(5.47)

Von der inneren mechanischen Leistung des Motors subtrahieren sich noch die durch Luft- und Lagerreibung bedingten mechanischen Verluste PV,mech. Somit ergibt sich die an der Welle abgegebene mechanische Leistung des Motors:

Pab,mech = Pi,mech − PV,mech .

(5.48)

5.4.2.5 Drehmoment

Die dreiphasige Ständerwicklung baut aufgrund ihres Stromes ein Magnetfeld auf, dessen Umlaufdrehzahl

n1 ⎡⎣ min -1 ⎤⎦ =

60 ⋅ f1 [ Hz ] p

(5.49)

abhängt von von der Speisefrequenz f1 und der Polpaarzahl p der Maschine. Durch das Ständerdrehfeld werden im Käfigläufer Kurzschlussströme induziert, die ebenfalls ein Drehstromsystem bilden. Die induzierten Läuferströme ergeben im Zusammenwirken mit dem resultierenden Ständerdrehfeld die LORENTZsche Kraftwirkung auf die Läuferstäbe. Daraus ergibt sich das innere Drehmoment Mi, welches im motorischen Betrieb in Umlaufrichtung des Drehfeldes wirkt. Bei Stillstand des Motors bewirkt dieses Drehmoment den Anlauf des Läufers. Der Zusammenhang des inneren Drehmomentes mit der Drehfeldleistung ergibt sich aus Gln. (5.47&49) zu

Mi =

p

ω1

PD .

(5.50)

Damit erhält man unter Verwendung von Gl.(5.37) für das innere Drehmoment folgenden Zusammenhang mit dem Schlupf:

Mi =

(1 − σ ) ρ 2 s 3U 2 p ⋅ . ω1 X1 (σ s − ρ1 ρ2 )2 + ( ρ2 + ρ1 s )2

(5.51)

190

5 Stationäre Antriebe

In Abb. 5.25 ist dieser Zusammenhang in Abhängigkeit von der Läuferdrehzahl für einen 4-poligen 11-kW-Motor dargestellt. Charakteristisch für den Asynchronmotor ist der Kipp-Punkt K, bei dem das innere Drehmoment ein Maximum aufweist. Der sog. „Kippschlupf“ ergibt sich aus der Bedingung ∂Mi ∂s = 0 zu

sK =

ρ2 1 + ρ12 , σ 1 + ( ρ1 σ )2

(5.52)

und das Kippmoment zu

MK =

3U 2 p ⋅ 2ω1 X1

(1 + ρ )(σ 2 1

1 −σ 2

.

+ ρ12 ) + (1 − σ ) ρ1

(5.53)

240 26522-A-06 26522-A-06

230 220 210 200 190

K

180 170 160 Drehmoment in Nm

150 140

Vereinfachung: R1 = 0

130 120

Exakte Gleichung

110 100 90 80

N

70 60

S

Gute Näherung für Kippmoment; KLOSSsche Gleichung

50 40 30 20 10

L

0 0

500

1000

1500

Drehzahl in U/min

Abb. 5.25. Drehmoment/Drehzahl-Verlauf eines 11-kW-Drehstrom-Asynchronmotors

5.4 Elektrische Antriebssysteme

191

Setzt man in den Systemgleichungen (5.51 bis -53) den Ständerwiderstand ρ1 zu Null, so erhält man die „KLOSSsche Gleichung “:

Mi 2 ≈ . s sK MK + sK s

(5.54)

Diese Gleichung wird wegen ihrer Einfachheit häufig verwendet. Jedoch können bei unkritischem Gebrauch beträchtliche Fehler entstehen, wie die rote Kurve in Abb. 5.25 zeigt. Sie stellt den Momentenverlauf nach Gl.(5.51) für ρ1 = 0 dar. Das Kippmoment wird hier um fast 30 % zu groß ausgewiesen. Im normalen Betriebsbereich zwischen Leerlauf und Nennpunkt liefert diese Beziehung aber eine akzeptable Näherung. Eine bessere Näherung für den Momentenverlauf zwischen Nennpunkt und Stillstandspunkt erhält man, indem man die näherungsweisen Beziehungen für den Kippschlupf

sK ≈

ρ2 , σ

(5.52Nä)

und für das Kippmoment

MK ≈

3U 2 p 1 − σ , ⋅ 2ω1 X1 σ + ρ1

(5.53Nä)

in die KLOSSsche Gleichung einsetzt. Die so erhaltene blaue Kurve in Abb. 5.25 bildet den exakten Verlauf bei größeren Schlupfwerten besser ab. Allerdings ist sie für den stationären Betriebsbereich wenig geeignet. So wird das Nennmoment um rd. 13 % zu gering ausgewiesen. Generell gelten im wesentlichen folgende Tendenzen: 2

⎛U ⎞ • Für das Kippmoment: MK ∝ ⎜ ⎟ ; ⎝ f1 ⎠ • für den Kippschlupf: sK =∝ f 1−1 . Die Werte für den Kippschlupf ausgeführter Maschinen reichen von 5 % bei großen Leistungen bis herauf zu etwa 30 % bei sehr kleinen Maschinen. Für mittlere Größen (z.B. 11 kW Nennleistung) kann man mit einem Kippschlupf zwischen 15 % und 20 % rechnen. Das Drehmoment für den Nennpunkt N liegt üblicherweise in einem Bereich zwischen 1/3 und 1/2 des Kippmomentes. Gemäß Gl.(5.54) liegt

192

5 Stationäre Antriebe

dann der Nennschlupf zwischen 1/6 und 1/4 des Kippschlupfes. Entsprechend der Drehmomentreserve zwischen Nennmoment und Kippmoment hat der Drehstrom-Asynchronmotor eine dynamische Überlastbarkeit von 100 bis 200 %. Allerdings darf er einer größeren Überlast nur über hinreichend kurze Zeiten ausgesetzt werden, um nicht thermisch überlastet zu werden (s. Kap. 5.3.3). Für den Anstieg der Drehmomentkurve im Leerlaufpunkt (L) erhält man

3U 2 p (1 − σ ) M ⎛ ∂Mi ⎞ ≈2 K . ⎜ ⎟ = 2 sK ⎝ ∂s ⎠ s =0 ω1 X1 (1 + ρ1 ) ρ2

(5.55)

Die Drehzahlsteifheit des Motors ergibt sich daraus unter Zuhilfenahme von Gl.(5.42) zu

∂Mi ∂n

2

s =0

3U 2 p2 (1 − σ ) ⎛U p⎞ ∂s ⎛ ∂Mi ⎞ =⎜ ⋅ = ∝⎜ 1 ⎟ . ⎟ 2 2 ⎝ ∂s ⎠ s =0 ∂n 2π f1 X1 (1 + ρ1 ) ρ2 ⎝ f1 ⎠ (5.56)

Für das Stillstandsmoment im Punkt S, also bei der Drehzahl Null bzw. dem Schlupf Eins, lässt sich anhand der genannten Relationen aus der KLOSSschen Gleichung herleiten:

MS ≈ 2 sK . MK

(5.57)

Das heißt, dass das Stillstandsmoment, bezogen auf das Kippmoment, umso kleiner ist, je größer die Nennleistung des Motors ist. 5.4.2.6 Anlaufen und Bremsen

Läuft der Motor aus dem Stillstand (S) bis zu einem stationären Betriebspunkt hoch, so wird die Drehmoment/Drehzahl-Kennlinie in Abb. 5.25 vom Punkt S aus bis zum Betriebspunkt (normalerweise zwischen N und L gelegen) durchlaufen. Für den Anlauf des Motors ist es sehr vorteilhaft, den Effekt der Stromverdrängung im Läufer auszunutzen. Da die Kreisfrequenz ω2 der elektrischen Größen im Läufer proportional zum Schlupf ist, s. Gl.(5.41), kann man durch geeignete Gestaltung des Läuferkäfigs ! entweder als Hochstabläufer oder als Doppelkäfigläufer ! erreichen, dass im Bereich kleiner Drehzahlen und damit hoher Schlupfwerte eine Stromverdrängung zur Außenseite der Käfigstäbe bzw. zum äußeren der beiden Käfige stattfindet. Damit erhöht

5.4 Elektrische Antriebssysteme

193

3 26276-B-07 26276-B-07

2,5 Rundstab (ohne Stromverdrängung)

Normiertes Drehmoment M /M N

2 Hochstab

1,5 Doppelkäfig

1

0,5

0 0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

Normierte Drehzahl n /n 1

Abb. 5.26. Momenten-Kennlinie eines 11-kW-Drehstrom-Asynchronmotors bei verschiedenen Ausführungen des Kurzschlusskäfigs

sich der Läuferwiderstand und mit ihm nach Gl.(5.51) auch das Drehmoment, wie Abb. 5.26 zeigt. Die Stromortskurve hat in diesen Fällen nicht mehr die Form eines Kreises. Mit steigender Motordrehzahl sinkt der Schlupf und damit auch die Frequenz ω2. Wegen der abnehmenden Stromverdrängung steht dem Läuferstrom ein immer größerer Teil des gesamten Leiterquerschnitts der Käfigstäbe zur Verfügung, somit geht ρ2 auf den Auslegungswert zurück. Da der Strom teilweise in größerer Entfernung von der Ständerwicklung fließt, erhöht sich dabei allerdings der Streugrad σ, verglichen mit einem Einfachkäfigläufer ohne Stromverdrängung (Rundstabläufer). Bei entsprechender Bemessung des gesamten Käfigquerschnitts eines Stromverdrängungsläufers bleibt im stationären Betriebsbereich die Drehmo-

194

5 Stationäre Antriebe

mentkennlinie praktisch unverändert gegenüber dem Referenzfall des Rundstabläufers, wie aus Gl.(5.51) zu ersehen ist. Allerdings ist das Kippmoment gemäß Gl.(5.53) reduziert. Ein zusätzlicher Vorteil dieses Konzeptes liegt darin, dass der erhöhte Läuferwiderstand beim Anlauf einen geringeren Strom sowie eine kleinere Verlustleistung ! sowohl im Ständer als auch im Läufer ! zur Folge hat. Eine andere Möglichkeit besteht darin, durch Vorschalten von Zusatzwiderständen den Läuferwiderstand künstlich zu vergrößern. Die hierfür erforderliche Schleifringläufer-Maschine wird jedoch wegen des baulichen Aufwandes heute kaum mehr verwendet. Ist der Motor starr an die Arbeitsmaschine gekuppelt, so ergibt sich die Beschleunigung nach Gln. (5.33 und 5.34) aus dem dynamischen Moment, also dem Überschuss des Antriebsmomentes über das stationäre Lastmoment bei der jeweils herrschenden Drehzahl. Je nach der M/n-Charakteristik der Arbeitsmaschine kann es zu kritischen Bedingungen führen, wenn ein zu geringes dynamisches Moment keine ausreichende Beschleunigung ermöglicht. Kurzschlussläufermotoren können auf folgende Weise angelassen werden: • • • • •

durch direktes Einschalten über Stern-Dreieck-Umschaltung der Ständerwicklung über Anlasstrafo über Vorwiderstände zur Ständerwicklung über elektronischen Anlasser

Die Auswahl des Verfahrens wird durch die Belastbarkeit des Netzes, die technischen Gegebenheiten des Motors, von der Arbeitsmaschine herrührende Randbedingungen, sowie die mit der jeweiligen Maßnahme verbundenen Kosten beeinflusst. Direktes Einschalten Das direkte Einschalten des Motors ist nur dann möglich, wenn die hiermit verbundenen hohen Anlaufströme vom Netz zur Verfügung gestellt werden können. Da der Anlaufstrom ein Mehrfaches des Nennstroms beträgt, befindet sich der Motor während des Anlaufs in einem thermischen Überlastungszustand. Die Motorschutzschalter sprechen im Allgemeinen nicht an, da sie auf länger dauernde Überlastung ausgelegt sind und somit auf die nur kurzzeitig auftretenden, hohen Anlaufströme nicht reagieren. Bei großen Motoren darf die Zahl der vom Hersteller angegebenen, maximal zulässigen Anläufe innerhalb eines bestimmten Zeitraumes nicht überschritten werden. Da bei häufigen Anläufen die Pausenzeiten entsprechend klein werden, ist es in

5.4 Elektrische Antriebssysteme

195

solchen Fällen auch unter dem Gesichtspunkt der Energieeinsparung vorteilhaft, den Antrieb nicht abzuschalten, sondern in den Pausen leer laufen zu lassen. Da beim direkten Einschalten das Anlaufmoment nicht reduziert ist, ergeben sich hierbei die kürzestmöglichen Anlaufzeiten. Stern-Dreieck-Umschaltung Bei kleinen bis mittleren Leistungsklassen und schwachen Netzen sowie immer dann, wenn die anzutreibende Anlage empfindlich gegen zu große Drehmomentenstöße ist, bietet sich als einfachste Möglichkeit das Anlassen des Asynchronmotors über eine Stern-Dreieck-Umschaltung der Ständerwicklung mit Hilfe eines Walzenschalters oder von Schützen an. Voraussetzung hierfür ist, dass die Eingangs- und Ausgangsklemmen aller drei Ständerwicklungen frei zugänglich sind. Bei Sternschaltung liegt an jedem Wicklungsstrang nur die 1 3 fache Spannung. Daher reduzieren sich Anlaufmoment, Anlaufstrom, Kippmoment, Nennleistung und insbesondere die Blindleistung auf 1/3. Das führt zu einer Verlängerung der Anlaufzeit auf mindestens das Dreifache. Für ein gutes Anlaufen des Motors in Sternschaltung ist ein durchgängiger, genügend großer Überschuss an Antriebsmoment gegenüber dem jeweiligen Widerstandsmoment der Arbeitsmaschine bis über den Kipp-Punkt hinweg wichtig. Das ist normalerweise dann gegeben, wenn in der Charakteristik des Widerstandsmomentes die quadratische Drehzahlabhängigkeit dominiert. In diesen Fällen ist es vorteilhaft, die Umschaltung von Stern auf Dreieck auf einen Zeitpunkt zu legen, zu dem das Gleichgewicht zwischen Motormoment und Widerstandsmoment bereits erreicht ist. Auf diese Weise kann man die unvermeidliche sprunghafte Erhöhung von Strom und Drehmoment auf den kleinstmöglichen Wert reduzieren. Für den Fall, dass die Belastung des Motors im betreffenden Betriebspunkt bei 1/3 der Nennlast oder darunter liegt, kann die Umschaltung entfallen. Dann kann nämlich die Sternschaltung auch als Betriebsschaltung verwendet werden, was mit einer nennenswerten Energieeinsparung verbunden ist. Dagegen ist für ein Hochlaufen von Hebezeugen und Wickelmaschinen, bei denen die Charakteristik des Lastmoments durch einen hohen Konstantanteil geprägt ist, die Sternschaltung zum Anfahren aufgrund von Stabilitätsproblemen meist nicht geeignet. Anlasstrafo Eine andere Möglichkeit zum Anlauf mit reduzierter Spannung bietet der dreisträngige Anlasstrafo (meist als Spartrafo ausgeführt). Während bei der Stern-Dreieck-Umschaltung das Verhältnis der Spannungen festliegt, kann es beim Anlasstrafo durch Wahl des Übersetzungsverhältnisses bestimmt werden. Auf diese Weise lässt sich der unvermeidliche Stromstoß verringern; auch ein mehrstufiger Anlauf lässt sich realisieren.

196

5 Stationäre Antriebe

Vorwiderstände Dreisträngige oder auch einsträngige Vorwiderstände vor der Ständerwicklung bewirken ebenfalls eine Reduzierung von Drehmoment und Anlaufstrom. Die Investitionen für diese Lösung sind relativ gering, allerdings werden durch die Vorwiderstände zusätzliche Verluste während des Anlaufvorgangs verursacht. Elektronischer Anlasser Beim Anlassen des Motors über einen elektronischen Anlasser (Drehstromsteller) wird die Ständerspannung ! ausgehend von einem wählbaren Anfangswert ! über eine Rampe mit einstellbarer Zeit auf die Nennspannung hochgefahren. Durch geeignete Wahl der Anlaufspannung in Verbindung mit einem unterlagerten Stromregelkreis wird erreicht, dass auch bei Anlauf mit hohem Lastmoment der zulässige Stromgrenzwert nicht überschritten wird. Der weitgehende Wegfall von Drehmomentsprüngen bedeutet einen sanften Anlauf, was z.B. für Förderbandantriebe ein wichtiger Vorteil ist. Der elektronische Anlasser kann darüber hinaus auch zur Reduzierung von Verlusten im längeren Leerlaufbetrieb eingesetzt werden. Bei den Bremsschaltungen von Asynchronmaschinen lässt sich zwischen Verlust- und Nutzbremsung unterscheiden, je nachdem ob die mechanische Energie in Form von Wärme an Widerstände abgegeben oder als elektrische Energie ins Netz zurückgespeist wird. Eine Nutzbremsung ist möglich, wenn • die Ständerwicklung polumschaltbar ausgeführt ist, oder • der Läufer mit Wicklung und Schleifringen ausgestattet ist und so den Einsatz einer untersynchronen Stromrichterkaskade ermöglicht, oder • der Motor über einen Umrichter mit Spannung von variabler Frequenz und Amplitude gespeist wird. Bei der verlustbehafteten Gleichstrombremsung wird die Asynchronmaschine vom Netz getrennt und durch Anlegen einer Gleichspannung an die Ständerklemmen ein Bremsmoment erzeugt, das einen ähnlichen Verlauf wie die Momentenkennlinie im motorischen Betrieb aufweist. Durch Läufervorwiderstände kann das einer bestimmten Drehzahl zugeordnete Bremsmoment beeinflusst werden. Bei der ebenfalls verlustbehafteten Gegenstrombremsung erfolgt durch Umpolen zweier Strangzuleitungen während des Motorbetriebs eine Drehrichtungsumkehr des Drehfeldes. Die zuvor belastete Maschine bremst nun mit einem hohen Bremsmoment ab. Bei Erreichen des Stillstandes muss der Motor abgeschaltet werden, da er sonst in entgegengesetzter Richtung wieder anläuft. Für die direkt nach dem Umschalten auftretenden Schlupfwerte von ca. 2 liegt der Ständerstrom über dem Stillstandsstrom. Bei häufigem

5.4 Elektrische Antriebssysteme

197

Einsatz der Gegenstrombremsung muss der Ständerstrom durch Absenken der Ständerspannung oder durch einen Läufervorwiderstand verringert werden. Zum Einsatz kommt die Gegenstrombremsung beispielsweise bei Hebezeugen zum Absenken einer Last mit konstanter Geschwindigkeit. 5.4.2.7 Verhalten im stationären Betrieb

Zur Charakterisierung des stationären Betriebsverhaltens werden die kennzeichnenden Größen meist in Abhängigkeit von der abgegebenen Leistung dargestellt. Diese wird dabei zweckmäßig auf die Nennleistung zum Lastgrad normiert. Die folgenden Darstellungen gelten für einen Kurzschlussläufermotor mit einer Nennleistung von 11 kW. Abbildung 5.27 zeigt die elektrisch aufgenommene Wirkleistung sowie die Blindleistung, welche sich im unteren Lastbereich kaum ändert. Aus dem Abstand zwischen der Wirkleistungsaufnahme und der zusätzlich eingetragenen Leistungsabgabe ist der Verlauf der Gesamtverluste ersichtlich. Der in Abb. 5.28 gezeigte Leistungsfaktor liegt im Leerlauf bei rd. 0,1 und steigt mit zunehmender Last stetig an. Dagegen erreicht der Wirkungsgrad 16 26273-A-02 26273-A-02

15 14

Elektrisch aufgenommene Leistung Mechanisch abgegebene Leistung

13 12

Nennleistung

Leistungen in kW bzw. kvar

11 10

9 8 7 Blindleistung 6 5 4 3 2 1 0 0%

25%

50%

75%

100%

125%

Lastgrad

Abb. 5.27. Leistungen eines 11-kW-Drehstrom-Asynchronmotors

198

5 Stationäre Antriebe 120%

26274-A-02 26274-A-02

110%

η

100%

(Wirkungsgrad)

90%

80%

cos ϕ

70%

(Leistungsfaktor) 60%

I IN

(Normierter Strom)

50%

40%

30%

20%

10%

0% 0%

25%

50%

75%

100%

125%

Lastgrad

Abb. 5.28. Kennlinien eines 11-kW-Drehstrom-Asynchronmotors

bei etwa drei Viertel der Nennlast sein Maximum von fast 90 % und geht danach wieder leicht zurück. Bis herab zu etwa einem Drittel der Nennlast ist er größer als 85 %. Die Stromaufnahme des Motors beträgt schon im Leerlauf mehr als 40 % des Nennstroms. Aus Abb. 5.29 sind die Verläufe der einzelnen Verlustarten ersichtlich. Während die Verluste im Eisen (durch Ummagnetisierung und Wirbelströme) sowie die mechanischen Verluste durch Lagerreibung und Ventilation konstant bleiben, sind die Stromwärmeverluste im Rotor etwa quadratisch von der Belastung abhängig. Die Stromwärmeverluste im Stator steigen von ihrem Leerlaufwert (rd. 1 % der Nennleistung) ausgehend etwas stärker als quadratisch mit der Belastung an.

5.4 Elektrische Antriebssysteme

199

1000 26275-B-04 26275-B-04

900

800

Stromwärme, Stator

Verlustleistungen in W

700

600

500

400

Eisen

300

200

Stromwärme, Rotor

100

Mechanisch 0 0%

25%

50%

75%

100%

125%

Lastgrad

Abb. 5.29. Verluste eines 11-kW-Drehstrom-Asynchronmotors 5.4.2.8 Dimensionierung des Motors

Für die richtige Dimensionierung eines Motors sind hauptsächlich zwei Aspekte von Bedeutung: • Vermeiden unzulässig hoher Wicklungstemperaturen, vgl. Abschn. 5.3 • Sparsamer Energieverbrauch durch Betrieb in einem günstigen Lastbereich Für den letztgenannten Punkt sind zwei gegenläufige Tendenzen zu beachten, die am Beispiel von zweipoligen Niederspannungs-Drehstrom-Asynchronmotoren mit Kurzschlussläufer in Abb. 5.30 ersichtlich sind: • Das Wirkungsgradniveau steigt generell mit der Nennleistung des Motors deutlich an

200

5 Stationäre Antriebe

• Das Teillastverhalten ist dadurch gekennzeichnet, dass der höchste Wirkungsgrad stets unterhalb der Nennlast auftritt. Dieser Optimalpunkt liegt fast durchweg etwa bei 3/4-Last, nur für kleine Motoren mit Nennleistungen unter 1 kW rückt er näher an den Nennlastpunkt heran. Je kleiner der Motor, desto stärker geht der Wirkungsgrad bei geringer Auslastung zurück. 100% 95% 90%

Nennleistung: 1000 kW 132 kW 37 kW

85%

11 kW

80%

4 kW

75%

5 0,7

70% 65%

5 0,2

55%

kW

9 0,0

50%

kW 26386-A-05 26386-A-05

Wirkungsgrad

60%

kW

45% 40% 35% 30%

U = 400 V p=1

25% 20% 15% 10% 5% 0% 0%

25%

50%

75%

100%

125%

Lastgrad

Abb. 5.30. Wirkungsgrade von Drehstrom-Asynchronmotoren abhängig vom Lastgrad

Der Optimierungscharakter des Problems ist anhand von Abb. 5.31 erkennbar. Hier sind die Wirkungsgradkurven über der abgegebenen Leistung aufgetragen. Allerdings sind hier die Nennleistungen der betrachteten Motoren sehr grob abgestuft, weil sonst diese Art der Darstellung unübersichtlich wird. Damit lassen sich aber keine Schlüsse für die optimale Wahl der Motorgröße treffen. Oft stellt sich die Frage, ob ein Motor für einen gegebenen Antriebsfall richtig dimensioniert ist. Meist wird in solchen Fällen der Übergang auf einen Motor mit geringerer Nennleistung erwogen. Für die Nennleistungen

5.4 Elektrische Antriebssysteme

100%

201 132 kW 75 kW

37 kW

26387-A-05 26387-A-05

11 kW 90%

Wirkungsgrad

80%

Nennleistung ( ):

7,5 kW

0,75 kW 0,25 kW

70% 60%

4 kW 1,1 kW

400 kW 1000 kW 250 kW

0,09 kW U = 400 V p=1

50% 40% 30% 20% 0,01

0,1

1

10

100

1000

Abgegebene Leistung in kW

Abb. 5.31. Wirkungsgrade von Drehstrom- Asynchronmotoren abhängig von der abgegebenen Leistung

sind Vorzugsreihen festgelegt31, deren Abstufung mit wachsender Motorengröße immer feiner wird. Die entsprechenden Stufenfaktoren betragen in den Nennleistungsbereichen • • • •

0,06 ... 1,1 kW durchschnittlich rd.1,44 1,1 ... 11 kW durchschnittlich rd.1,39 11 ... 315 kW durchschnittlich rd.1,25 315 ... 1000 kW durchschnittlich rd.1,06

Abbildung 5.32 zeigt die relative Änderung der Leistungsaufnahme für den Übergang auf den nächst kleineren Motor in Abhängigkeit vom Lastgrad des ursprünglichen (größeren) Motors. Es zeigt sich, dass etwa oberhalb der halben Nennlast ein solcher Übergang sogar mit einer Erhöhung der Leistungsaufnahme verbunden ist. Gleichzeitig geht der verfügbare Bereich der Dauerbelastung zurück. Generell sind die relativen Änderungen umso größer, je kleiner die Nennleistung des ursprünglichen Motors ist. Für große Motoren von 90 kW und darüber liegen die Änderungen bis herab zu 1/4Last unter 1 %. Im Leerlauf ist der relative Rückgang der Leistungsaufnahme naturgemäß

31

Nennleistungsreihe nach CENELEC-Harmonisierungsdokument 321

202

5 Stationäre Antriebe 10%

26388-A-05 26388-A-05

Veränderung der Leistungsaufnahme

5% 0%

75 kW 90 kW Y kW Y 11 ,5 kW W k 1 15 Y W kW 5k 2,5 0,1 Y W 5k 0,2

-5% -10%

Nennleistung

-15% -20%

U = 400 V p=1

-25% -30% 0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Lastgrad

Abb. 5.32. Relative Veränderung der Leistungsaufnahme bei Substitution durch den nächst kleineren Motor

am größten. Etwas anders verhält es sich mit den absoluten Änderungen der Leistungsaufnahme. Diese sind aber entscheidend, wenn ein Antrieb mit wechselnden Belastungen untersucht wird, bei dem man Phasen des Mehrund des Minderverbrauchs gegeneinander abzuwägen hat. In Abb. 5.33 ist das Beispiel eines Motors mit einer Nennleistung von 4 kW dargestellt, der durch Motoren kleinerer oder größerer Nennleistung substituiert wird. Aufgrund der Nichtlinearität der Zusammenhänge kann gesagt werden, dass selbst bei einer mittleren Auslastung von 50 % (entsprechend einer Leistungsabgabe von 2 kW) der Austausch durch einen 3-kW-Motor (nächstkleinere Motorgröße) noch nicht eindeutig zu empfehlen ist. Es kann im Gegenteil der Austausch durch einen größeren Motor durchaus sinnvoll sein. Hierbei liegt der break-even-point jeweils links von dem Schnittpunkt der betreffenden Kurve mit der Null-Linie. Der Ersatz durch einen 5,5-kW-Motor kann also bei einer mittleren Last von über 2,5 kW Energie sparen. Das entspricht einer mittleren Auslastung von 62,5 %. Das weithin übliche Prinzip, grundsätzlich eine möglichst hohe Auslastung des Motors anzustreben, bedarf somit einer kritischen Revision. Auch der Punkt des höchsten Wirkungsgrades stellt in diesem Sinne nicht das Optimum dar (vgl. Abb. 5.30). Andererseits weist das Argument, dass bei einer abgegebenen Leistung von 4 kW selbst ein 11-kW-Motor noch

5.4 Elektrische Antriebssysteme

26389-A-05 26389-A-05

4 kW

150

Y 7,

5 kW

100

kW

kW

4 kW Y 5,5

4

50

Y 11 kW

Änderung der aufgenommenen Leistung in W

200

203

0

Nennleistung

-50

4 kW Y 3 kW

-100

4 kW -150

W 4k

-200 0

Y 2,2

kW

U = 400 V p=1

W ,5 k Y1

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

Abgegebene Leistung in kW

Abb. 5.33. Veränderung der Leistungsaufnahme bei Substitution eines 4-kWMotors

etwa 50 W weniger Leistung aufnimmt als der dann voll ausgelastete 4-kWMotor, ebenfalls nicht den richtigen Weg. Als ungefährer Anhalt für das Auslegungsziel kann eine mittlere Auslastung von etwa 55 bis 60 % gelten. Bei diesen Überlegungen ist allerdings noch nicht berücksichtigt, dass ein größerer Motor auch eine größere Schwungmasse besitzt, die bei jedem Anlauf beschleunigt werden muss. In den meisten Fällen dürfte dies aber nur einen geringen Einfluss auf das Ergebnis haben. Hinzu kommt freilich auch noch der für die Herstellung eines größeren Motors notwendige höhere Aufwand an Energie und Material. Ob sich bei einer solchen ganzheitlichen Betrachtungsweise die Relationen nennenswert verändern, wurde noch nicht untersucht. 5.4.2.9 Drehzahlstellung

Die Läuferdrehzahl eines Asynchronmotors kann bei gegebener Belastung gemäß Gl. (5.42) grundsätzlich durch folgende Parameter beeinflusst werden: • Schlupf s • Polpaarzahl p oder • Speisefrequenz f1

204

5 Stationäre Antriebe

Für die Auswahl eines technischen Konzeptes zur Drehzahlstellung sind ! neben der Frage des anlagentechnischen Aufwandes ! folgende Kriterien von Bedeutung: • Stellcharakteristik (gestuft bzw. kontinuierlich; möglicher Drehzahlbereich) • Änderung des Motorwirkungsgrades • Änderung der Belastbarkeit des Motors 32 • Änderung der Drehmoment/Drehzahl-Charakteristik (Steifheit) Vergrößern des Schlupfes ist möglich durch: • Einschalten von Vorwiderständen in den Läuferkreis von Schleifringläufermaschinen (s. Abb. 5.34, oberes Diagramm). Diese Methode der Drehzahlreduzierung ist jedoch mit hohen Stromwärmeverlusten in den Läufervorwiderständen verbunden und daher für Dauerbetrieb wenig geeignet. Die Verläufe der Nennpunkte über der abgesenkten Drehzahl entsprechen dabei denen im Grundstellbereich bei Frequenzänderung. • Energierückspeisung aus dem Läufer in das Netz ist ebenfalls nur bei Schleifringläufermaschinen möglich. Anstatt die Schlupfenergie in den Läuferwiderständen umzusetzen, wird sie mittels eines Umrichters in das speisende Netz zurückgeführt (untersynchrone Stromrichterkaskade). Diese Energie sparende Schaltung eignet sich besonders für große Leistungen (ca. 0,5 bis 25 MW) im niedrigen Drehzahlbereich. • Absenken der Klemmenspannung durch Drehstromsteller (s. Abb. 5.34, mittleres Diagramm). Durch Variation des Zündwinkels bei Drehstromstellern kann die am Motor anliegende Spannung zwischen Null und dem vollen Wert der Netzspannung verändert werden. Die Momentenkennlinie wird dabei quadratisch mit der Klemmenspannung verkleinert. Für diese Art der Drehzahlstellung kommen spezielle Maschinen mit einem sog. Widerstandsläufer zum Einsatz. Durch den höheren Widerstand des Käfigs tritt das Kippmoment erst bei Schlupfwerten nahe bei Eins, d.h. bei sehr geringen Drehzahlen auf. Damit wird der Stellbereich entsprechend vergrößert, aber auch die Drehzahlsteifheit des Motors verringert. Dieses Konzept ist stark verlustbehaftet (vor allem auch bei voller Spannung!) und eignet sich daher nur zur Drehzahlstellung in einem beschränkten

32

Ein wesentlicher Einfluss ist die Kühlungsart des Motors. Die zulässige Verlustwärme ist bei einer fremdgekühlten Maschine unabhängig von der Drehzahl und bei einer eigengekühlten Maschine angenähert proportional zur Drehzahl. Über den Zusammenhang zwischen Motorstrom und Drehmoment ergibt sich daraus die zulässige Belastung.

5.4 Elektrische Antriebssysteme

205

Bereich bei kleinen Lüfter- und Pumpenantrieben. Zudem geht die zulässige Momentenbelastung bei Verringerung der Spannung erheblich zurück. Für einen bei voller Spannung gut ausgelasteten Antrieb kann das selbst im Falle eines quadratischen Drehzahlverlaufs des Lastmomentes zu einer Überbelastung des Motors führen.

1

Verläufe der Nennpunkte FB: bei fremdbelüfteter Maschine EB: bei eigenbelüfteter Maschine

Normiertes Drehmoment M /M 0

Schlupfänderung durch Läufervorwiderstände

26371-B-07 26371-B-07

0,9

Kipp-Punkt

0,8 0,7

R2V/R2L =

0,6

8

6

4

2

0 Nenn-Punkt

0,5 0,4

FB

0,3

EB

0,2 0,1 0 0

0,5

1

1,5

Normierte Drehzahl n /n 1,0

Kipp-Punkt 1

Normiertes Drehmoment M /M 0

Spannungsänderung bei Motor mit Widerstandsläufer

0,9

U/U0 =

1

0,8

0,9

0,7 0,6

0,8

0,5 0,4

0,7

0,3

0,6 Nenn-Punkt

0,5

0,2

FB

0,1

EB

0 0

0,5

1

1,5

Normierte Drehzahl n /n 1,0

Kipp-Punkt

1

f/f1,0 = 0,5

0,9 Normiertes Drehmoment M /M 0

Frequenzänderung durch Umrichter

0,8

0,8

0,7 0,6 0,5

1,0

0,4

FB

0,3

1,5 EB FB

EB

0,2

1,2

0,1

Nenn-Punkt

0 0

0,5

1

1,5

Normierte Drehzahl n /n 1,0

Abb. 5.34. Momenten-Kennlinien für verschiedene Arten der Drehzahlstellung beim Asynchronmotor

206

5 Stationäre Antriebe

Änderung der Polpaarzahl ist möglich durch polumschaltbare Wicklungen (Dahlanderschaltung) oder durch getrennte Ständerwicklungen mit unterschiedlicher Polpaarzahl. Damit ist die Drehzahl allerdings nur stufenweise verstellbar. Durch die aufwendigere Ständerwicklung wird die Maschine teurer. Eine Verringerung der Drehzahl durch Übergang auf höhere Polpaarzahl ist verbunden mit einer Erhöhung der Drehmomente des Motors, da die Nennleistung sich nicht wesentlich verändert. Frequenzänderung Die Speisefrequenz kann - zusammen mit der Speisespannung - durch den Einsatz eines Frequenzumrichters verändert werden, s. Abb. 5.34 (unteres Diagramm). Hinsichtlich des Stellbereiches der Speisefrequenz f1 sind zwei Bereiche zu unterscheiden, die voneinander durch die sog. Eckfrequenz33 f1,0 getrennt sind: • Der Grundstellbereich geht von der Eckfrequenz f1,0 aus nach unten. In der Abbildung sind außer der Kennlinie für die Eckfrequenz zwei Kennlinien für 80 und 50 % der Eckfrequenz eingezeichnet. Gemäß Gl. (5.49) reduziert sich die synchrone Drehzahl (d.h. für s = 0) entsprechend. Das Kippmoment bleibt nach Gl.(5.53) in diesem Bereich konstant, wenn gilt: U/f = const., d. h. wenn die Speisespannung proportional zur Frequenz reduziert wird34. Nach Gl.(5.55) bleibt auch die Steifheit der Drehzahlcharakteristik, d.h. der Drehzahlabfall in Abhängigkeit vom Drehmoment, unverändert erhalten. Gemäß Gl.(5.52) vergrößert sich der Kippschlupf, da der bezogene Sekundärwiderstand ρ2 umgekehrt proportional zur Speisefrequenz ist. Das Stillstandsmoment bei der Drehzahl Null erhöht sich etwa reziprok zur Verringerung der Speisefrequenz. Bei einer eigenbelüfteten Maschine geht das zulässige Nennmoment angenähert mit der Quadratwurzel der Speisefrequenz zurück, da die mögliche Verlustwärmeabfuhr von der Drehzahl abhängt. Nur im Falle eines fremdbelüfteten Motors bleibt der Nennpunkt N auf gleicher Höhe, was bedeutet, dass die mechanisch abgebbare Leistung als Produkt aus Drehzahl und Drehmo-

33

Diese Eckfrequenz entspricht häufig der Netzfrequenz, sie kann aber auch auf einen höheren Wert eingestellt werden.

34

Diese Beziehung gilt streng genommen nur bei Vernachlässigung des OHMschen Widerstandes der Ständerwicklung, was bei Maschinen mittlerer und großer Leistung hier zulässig ist. Bei kleinen Motoren (d.h. mit Nennleistungen in der Größenordnung 1 kW) wird die Spannung weniger als proportional reduziert, also z.B. linear bis zu einem Grundanteil von 20 % der Nennspannung, um den speziell bei kleinen Frequenzen stärker wirksamen OHMschen Spannungsabfall an der Ständerwicklung zu kompensieren.

5.4 Elektrische Antriebssysteme

207

ment in diesem Fall etwa proportional mit der Speisefrequenz zurückgeht. • Der Feldstellbereich geht von der Eckfrequenz aus nach oben. In Abb. 5.34 sind dafür die zwei Kennlinien für 120 und 150 % der Eckfrequenz eingezeichnet. Geht man davon aus, dass der Motor bei der Eckfrequenz mit der maximal möglichen Spannung gespeist wird, so wird diese bei Erhöhung der Frequenz konstant gehalten. Entsprechend Gl.(5.53) geht das Kippmoment um den Faktor (f1/f1,0)!2 zurück. Auch die Steifheit der Drehzahlcharakteristik nimmt ab. Das Nennmoment des Motors fällt weniger stark ab als das Kippmoment, nämlich nur um den Faktor (f1/f1,0)!1 bei einer fremdbelüfteten Maschine, das bedeutet eine konstant bleibende abgebbare Leistung. Soweit man bei einer eigenbelüfteten Maschine eine proportionale Zunahme der zulässigen Verluste mit der Drehzahl annehmen kann, geht das zulässige Moment sogar nur um den Faktor (f1/f1,0)!0,5 zurück. Eine Drehzahlreduzierung im Grundstellbereich ist unproblematisch, wenn das Lastmoment stärker absinkt als das Nennmoment des Motors, was normalerweise der Fall ist. Dagegen verlangt bei einer Erhöhung der Drehzahl in den Feldstellbereich hinein die Einhaltung der zulässigen Motorbelastung besondere Aufmerksamkeit. Die Drehzahlstellung mit Hilfe eines Frequenzumrichters ist heute eine weithin angewendete Methode, um den Förderstrom von Pumpen und auch Ventilatoren einem wechselnden Bedarf anzupassen (vgl. Abschn. 5.2.4.4). Aus der 7. Übungsaufgabe (s. Anhang) geht hervor, dass die Wirtschaftlichkeit stark von den herrschenden Randbedingungen abhängt. Unter günstigen Verhältnissen sind Amortisationsdauern von weniger als 3 Jahren erreichbar. 5.4.3

Drehstrom-Synchronmotor

Die Synchronmaschine ist im Ständer ähnlich aufgebaut wie die Asynchronmaschine, der Läufer besitzt jedoch ein Polrad mit einer Gleichstromerregung bzw. mit Permanentmagneten. Das hat zur Folge, dass die Drehzahl fest mit der Speisefrequenz gekoppelt ist. Zum Anlauf von Synchronmotoren sind je nach Ausführung zusätzliche Maßnahmen erforderlich, wie beispielsweise ein separater Anlaufmotor oder eine Frequenzsteuerung über Stromrichter. Synchronmotoren werden verwendet, wenn eine unveränderliche Betriebsdrehzahl oder eine über die Speisefrequenz regulierbare Betriebsdrehzahl erwünscht ist, z.B. bei langsam laufenden Kolbenverdichtern, bei Pumpen oder Turbogebläsen. Eine zunehmende Verbreitung finden perma-

208

5 Stationäre Antriebe

nenterregte Synchronmotoren in Servo- oder Stellantrieben. Abbildung 5.35 zeigt das vereinfachte Ersatzschaltbild je Phase (d.h. alle Größen sind Stranggrößen) für den Synchronmotor mit Vollpol-Läufer. In der meist gebräuchlichen Form der Innenpolmaschine wird im Läufer durch einen Gleichstrom bzw. durch eingebaute Permanentmagnete ein Magnetfeld erregt. Der dadurch verursachte Induktionsfluss Φ läuft mit der Läuferdrehzahl n um und induziert dabei in der Ständerwicklung die Polradspannung

U P = cA jωΦ . I

(5.57)

R

Xd

26-381-A-04 26-381-A-04

U

M

UP

Φ

n

Abb. 5.35. Ersatzschaltbild des Synchronmotors mit Vollpolläufer

Die elektrische Kreisfrequenz der (vereinfacht als sinusförmig angenommenen) Wechselgrößen ! und damit auch die Speisefrequenz ! hängt mit der Läuferdrehzahl über die Polpaarzahl p der Ständerwicklung zusammen:

ω ⎡⎣s ⎤⎦ = 2π −1

n ⎡⎣ min −1 ⎤⎦ 60

p.

(5.58)

Die Synchronmaschine hat also keinen Schlupf, vgl. Gl.(5.42). Die Speisespannung an den Motorklemmen entspricht der Polradspannung zuzüglich der Spannungsabfälle im Ankerkreis aufgrund des OHMschen Widerstandes R sowie der synchronen (Längs-)Reaktanz Xd:

U = ( R + jX d ) I + U P

(5.59)

Das dieser Gleichung entsprechende Zeigerdiagramm zeigt Abb. 5.36. Die Polradspannung eilt gegenüber der Klemmenspannung um den Polradwinkel

5.4 Elektrische Antriebssysteme

209

ℜ jX dI

U

U

P

RI

α

I

θ

ϕ 26382-B-06 26382-B-06

ℑ

Abb. 5.36. Zeigerdiagramm des Synchronmotors mit Vollpolläufer

θ nach. Der Polradwinkel ist kennzeichnend für den Lastzustand der Maschine. Die über den Luftspalt vom Ständer auf den Läufer übertragene Drehfeldleistung ist

PD [ W ] = 2π

n ⎡⎣ min −1 ⎤⎦ 60

(

)

∗ MD [ Nm ] = m ⋅ ℜ U P I ,

(5.60)

wobei Spannung und Strom durch ihre Effektivwerte ausgedrückt sind. Für ein dreiphasiges System (m = 3) ergibt sich daraus für das über den Luftspalt übertragene Drehmoment

MD = −

3 pUP

ω R2 + X d2

⎡⎣U sin (θ − α ) + UP sin α ⎤⎦ .

(5.61)

Vom Luftspaltmoment subtrahieren sich innerhalb des Synchronmotors lediglich die Widerstände durch Lagerreibung und Ventilation. Der Rest

210

5 Stationäre Antriebe

steht als treibendes Drehmoment an der Motorwelle zur Verfügung. Betrachtet man die Abhängigkeit des Drehmoments vom Polradwinkel, so ergibt sich ein Maximum für θ = & π/2 + α. Man beachte, dass θ negativ ist! Die statische Stabilitätsgrenze liegt also bei einem (elektrischen) Nachlaufwinkel des Polrades von nahezu 90 °, da der Ständerverlustwinkel α namentlich bei größeren Maschinen recht klein ist. Der Maximalwert des Momentes (Kippmoment) beträgt angenähert

MK ≈

3 pUUP . ω Xd

(5.62)

Aus Gründen der dynamischen Stabilität, d.h. um ein Außertrittfallen des Läufers bei Belastungsänderungen zu vermeiden, sollten Vollpolmotoren höchstens mit 3/4 des Kippmomentes belastet werden. Aus Gl.(5.59) ist die Stromortskurve erhältlich. Abb. 5.37 zeigt die sich ergebenden Kreisabschnitte im stabilen Bereich für einen Motor kleinerer Leistung (d.h. mit nicht vernachlässigbarem Ständerverlustwinkel α) und konstanter Erregung durch Permanentmagneten. Variiert ist hierbei die Speisefrequenz und damit die Drehzahl, vom jeweiligen Maximalwert abwärts. Proportional zur Frequenz ist auch die Speisespannung abgesenkt. Damit ist es - zumindest bei Fremdkühlung des Motors - möglich, auch im Bereich stark reduzierter Speisefrequenzen den Motor mit dem Nennmoment zu belasten, ohne dass er durch zu großen Strom thermisch überlastet würde. 1,1

Normierte Frequenz: ff/f /f0 = 1 0,

26383-C07 26383-C07

1

U f0 ⋅ U0 f

0,9

0,2 0,5

0,8

1

0,7

I

0,5

) Xd +j /(R P –U

0,6

2α

Stabilitätsbereich: -π π/2 /2 + α

0,4 0,3 0,2 0,1

U/(R+jX d)

0 0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

α

0,9 α 1

1,1

Abb. 5.37. Stromortskurven des Synchronmotors mit Vollpolläufer

5.4 Elektrische Antriebssysteme

211

Eine solche stufenlose Drehzahlsteuerung der Synchronmaschine ist, wie bei der Asynchronmaschine, durch Speisung über Frequenzumrichter möglich. Ansonsten gibt es noch die Möglichkeit der Veränderung der Polpaarzahl, sofern eine solche Umschaltung konstruktiv vorgesehen ist. Der Anlauf des Synchronmotors ist bei Verwendung eines Frequenzumrichters durch Hochfahren der Speisefrequenz problemlos möglich. Wird hingegen der Synchronmotor mit konstanter Netzfrequenz gespeist, so bedarf es zum Anlauf spezieller Verfahren: • Hochlauf über einen eigenen Anwurfmotor, bis die synchrone Drehzahl näherungsweise erreicht ist. Die elektrische Kopplung des Synchronmotors an das Netz erfolgt dann in gleicher Weise wie bei Generatoren unter Einhaltung der Synchronisierungsbedingungen. Dieses aufwendige Verfahren lässt sich nur zum Anlauf ohne Last anwenden, da sonst der Anwurfmotor unwirtschaftlich groß dimensioniert werden müsste. • Der asynchrone Selbstanlauf ist das in den meisten Fällen angewendete Verfahren. Bei Vollpolmaschinen ist hierfür in den Läufernuten zusätzlich eine kurzgeschlossene Stabwicklung eingebracht, bei Schenkelpolmaschinen liegt diese Käfigwicklung in den Polschuhen. Im synchronen Betrieb dient der Kurzschlusskäfig auch dazu, Drehschwingungen infolge von Belastungsstößen zu dämpfen. Während des Hochlaufs ist die Erregerwicklung zunächst über einen Widerstand kurzgeschlossen, damit sie vor zu hohen induzierten Spannungen geschützt ist. Nach Erreichen der maximalen Drehzahl wird dann auf Gleichstromerregung umgeschaltet, wodurch der Läufer unter mehr oder weniger starken Pendelungen in den Synchronismus gezogen wird. Der asynchrone Anlauf ist nur dann problemlos möglich, wenn am Ende des Hochlaufs ein Schlupf von weniger als 5 % erreicht wird und wenn die zu beschleunigenden Massen (Schwungmomente) nicht zu groß sind. Das Lastmoment darf ebenfalls nicht zu groß sein, damit das Motordrehmoment ausreicht, um die Maschine in den synchronen Lauf zu ziehen. Durch besondere Ausführungsformen des Käfigs lässt sich wie beim Asynchronmotor während des Hochlaufs eine Erhöhung des Drehmomentes bei gleichzeitiger Reduzierung des Stromes erreichen. 5.4.4

Frequenzumrichter

Im Bereich der Drehstrom-Antriebstechnik hat der Frequenzumrichter die Aufgabe, die nach Amplitude und Frequenz konstante Netzspannung in ein dreiphasiges Spannungssystem variabler Frequenz und Amplitude zur Speisung des Asynchron- bzw. Synchronmotors umzusetzen. Prinzipiell unter-

212

5 Stationäre Antriebe

scheidet man zwei Techniken: • Direktumrichter (vorzugsweise bei langsam laufenden Antrieben großer Leistung eingesetzt) • Zwischenkreisumrichter mit Gleichgrößenzwischenkreis Zwischenkreisumrichter mit Gleichgrößenzwischenkreis gliedern sich wiederum abhängig von der Art ihrer Glättungsglieder in zwei Techniken: • Stromzwischenkreisumrichter (I-Umrichter) mit Stromverstellung durch netzgeführten Gleichrichter (induktive Glättung) • Spannungszwischenkreisumrichter (U-Umrichter) mit Spannungsverstellung durch Pulsen (kapazitive Glättung) Spannungszwischenkreisumrichter gewinnen zunehmend an Bedeutung und beherrschen, bezogen auf die verkauften Stückzahlen, heute die Drehstromantriebstechnik. Das wesentliche Merkmal eines U-Umrichters ist ein Zwischenkreiskondensator zur Einprägung der Zwischenkreisspannung. Die Kapazität bewirkt eine Entkopplung zwischen dem Eingangsgleichrichter und dem Ausgangswechselrichter (WR). Die im Zwischenkreis anliegende Spannung ändert sich im normalen Betriebsbereich nur geringfügig. U-Umrichter verhalten sich daher nahezu wie eine ideale Konstantspannungsquelle. Neben der Motorfrequenz wird auch die Motorstrangspannung vorgegeben, wobei sich der Strom lastabhängig ausbildet. Im Gegensatz zum I-Umrichter ist der U-Umrichter leerlauffest. Beim U-Umrichter lassen sich wiederum zwei prinzipiell unterschiedliche Techniken unterscheiden: • konstante Zwischenkreisspannung und Pulssteuerung des WR (Pulsumrichter) • variable Zwischenkreisspannung und Blocksteuerung des WR Die größere Bedeutung kommt hierbei dem Pulsumrichter zu. Der eingangsseitige Gleichrichter besteht aus einer ungesteuerten, netzgeführten Diodenbrücke, über die eine konstante Zwischenkreisgleichspannung erzeugt wird. Sollte Nutzbremsbetrieb erwünscht sein, muss eine zusätzliche steuerbare Brücke antiparallel zu der Diodenbrücke geschaltet werden. Ist eine Netzrückspeisung nicht lohnend, kann die Bremsenergie über einen Widerstand im Zwischenkreis abgeführt werden. Ausgangsseitig wird durch pulsartiges Zuschalten der Zwischenkreisspannung über einen selbstgeführten Wechselrichter auf die Motorklemmen eine Wechselspannung mit variabler Frequenz und Amplitude erzeugt (Pulsweitenmodulation). Für die Generierung der entsprechenden Pulsmuster kommen ! abhängig vom Hersteller, der Umrichterleistung sowie der Art

5.4 Elektrische Antriebssysteme

213

und Verschaltung der Brückenbausteine (Halbleiterventile) ! unterschiedliche Verfahren zum Einsatz. Um ein zufrieden stellendes Betriebsverhalten der Maschine hinsichtlich der Zusatzverluste, Pendelmomente und Geräusche zu erhalten, sollte der Wechselrichter mit einer möglichst hohen Schaltfrequenz arbeiten. Die heute dafür verwendeten Leistungshalbleiter (IGBT oder MOSFET) ermöglichen Schaltfrequenzen im Ultraschallbereich. Die Motorströme bilden sich aus den im jeweiligen Betriebspunkt des Motors herrschenden Impedanz- und Spannungsverhältnissen. Eine mögliche Regelung für die Einstellung der Ströme entsprechend den gewünschten Verläufen stellt beispielsweise eine Stromregelung dar. Dazu werden die Istwerte der Motorströme erfasst und zusammen mit den Sollwerten je einem Regler zugeführt. Bei einer Abweichung werden die Ausgangsspannungen des WR im Sinne einer Angleichung der beiden Werte verändert. Die Stromsollwertbildung erfordert Rechenoperationen, die in analoger Technik nur mit hohem Aufwand realisierbar sind. Deshalb ist eine Signalverarbeitung über Mikroprozessor vorteilhaft. Der Istwert für die Drehzahlregelung wird durch zyklisches Abtasten des Rotorpositionswinkels in kurzen Abständen, d.h. mit hoher Auflösung gebildet, so dass ein separater Drehzahlgeber überflüssig wird. Durch Anwendung der Blockstromtechnik lässt sich der erforderliche Aufwand für die Stromsollwertbildung ohne funktionelle Einbußen maßgeblich reduzieren. Das Grundkonzept dabei ist, den Statorstrombelag nicht wie bei der Sinusstromspeisung kontinuierlich, sondern in sechs Schritten umlaufen zu lassen. Die Umlaufgeschwindigkeit des Strombelages bestimmt dabei die Drehzahl. Häufig werden an einen Zwischenkreis mit einer Einspeisebrücke mehrere Wechselrichter angeschlossen, so dass neben Einzel- auch Gruppenantriebe (Mehrmotorenantriebe) möglich sind. Durch die zusätzlich benötigte steuerbare Brücke zur Netzrückspeisung ist ein Vierquadrantenbetrieb allerdings mit hohem Aufwand verbunden. In diesen Fällen wird daher besonders bei Antrieben mit hohen Leistungen und Trägheitsmomenten der I-Umrichter bevorzugt. U-Umrichter mit variabler Zwischenkreisspannung werden überwiegend für Anwendungen im hohen Drehzahlbereich eingesetzt (z.B. Textilindustrie, Schleifmaschinen). Hierbei muss auch der eingangsseitige Gleichrichter steuerbar ausgeführt sein. Dafür kann der Wechselrichter jedoch einfacher aufgebaut werden, da ähnlich wie beim I-Umrichter nur relativ lange Spannungsblöcke und keine kurzen Spannungspulse auf die Maschinenklemmen geschaltet werden müssen. Heute sind die verfügbaren Leistungshalbleiter aber so kostengünstig, dass die U-Umrichter meist mit konstanter Zwischen-

214

5 Stationäre Antriebe

kreisspannung und pulsweitenmodulierendem Wechselrichter ausgeführt sind. Der Wirkungsgrad eines U-Umrichters im Nennbetrieb, d.h. bei einer Ausgangsfrequenz von 50 Hz und Volllast, liegt je nach Anlagengröße zwischen etwa 92 % (für Nennleistungen unter 100 W) und 97 % (für Nennleistungen über 100 kW), jeweils bei 400 V Netzspannung. Bei 230 V Netzspannung liegen die Wirkungsgrade um bis zu 3 Prozentpunkte niedriger, vor allem bei kleinen Geräten. Die Verluste treten in erster Linie als Durchlass- und Schaltverluste in den Leistungshalbleitern auf. Abbildung 5.38 zeigt die Systemwirkungsgrade einer Kombination von Asynchronmotor mit vorgeschaltetem U-Umrichter (Pulswechselrichter) zur Drehzahlstellung. Hierbei ist die typische Belastungscharakteristik von Pumpen oder Ventilatoren zugrundegelegt, bei denen das Moment quadra100%

Umrichter-Wirkungsgrade UmrichterNennleistung: 97,8 kVA

90%

2-polig

11,6 kVA

80%

1,6 kVA MotorNennleistung:

70%

Systemwirkungsgrad

75 kW 60%

4-polig 50%

7,5 kW

System-Wirkungsgrade

40%

30%

0,75 kW 20%

Belastung: M - n² 10%

26278-B-07 26278-B-07

0% 0%

20%

40%

60%

80%

100%

Normierte Drehzahl n /n 0

Abb. 5.38. Systemwirkungsgrade von Asynchronmotoren mit U-Umrichter (Quelle: Forschungsstelle für Energiewirtschaft, München)

5.4 Elektrische Antriebssysteme

215

tisch und die Last kubisch mit der Drehzahl zurückgeht. Bei der Hälfte der Eckdrehzahl liegt die Belastung also nur noch bei 12,5 %. Daraus erklärt sich in erster Linie der Wirkungsgradabfall bei kleineren Drehzahlen. Bedingt durch die Wirkungsweise des Pulswechselrichters weist die Speisespannung des Motors einen beträchtlichen Oberwellengehalt auf. Dadurch entstehen zusätzliche Wirbelstromverluste (hauptsächlich im Eisen des Motors). Die daraus resultierende Verschlechterung des Wirkungsgrades ist umso ausgeprägter, je größer die Polpaarzahl der Maschine ist. Zusätzlich sind in dem Diagramm auch noch die Wirkungsgrade der entsprechenden Umrichter eingetragen. Hieraus ist erkennbar, dass der Abfall des Systemwirkungsgrades bei kleinen Lasten nicht nur vom Motor herrührt, sondern auch vom Umrichter. 5.4.5

Gleichstrommotor

Der Gleichstrommotor ermöglicht eine weitgehend stufenlose und verlustfreie Einstellung und Regelung der Drehzahl, entweder über den Ankerstrom oder über das Erregerfeld. Je nach der Art der Zusammenschaltung von Anker- und Erregerwicklung wird unterschieden in Reihenschluss-, Fremdschluss-, Nebenschluss-, Doppelschluss- und Wendepolmaschinen oder Kombinationen davon. Außerdem kann die Erregung mit Permanentmagneten erfolgen. Das Ersatzschaltbild und die wichtigsten Systemgleichungen für die Gleichstrommaschine zeigt Abb. 5.39. Es lassen sich folgende normierte Systemgleichungen aufstellen: • Für die Abhängigkeit des Drehmomentes von Ankerstrom und Felderregung:

m = iAϕ

(5.63)

• Für die Abhängigkeit des Drehmomentes von der Drehzahl mit den Parametern Speisespannung, Vorwiderstand und Felderregung:

m=

u − nϕ ⋅ϕ sN (1 + rV )

(5.64)

Der Begriff des Schlupfes wird hier in Analogie zu der bei der Asynchronmaschine üblichen Definition gebraucht. Somit gibt der Wert des Nennschlupfes Aufschluss über die Steifheit der Drehmomentcharakteristik über der Drehzahl.

216

5 Stationäre Antriebe

Abb. 5.39. Ersatzschaltbild und Systemgleichungen des Gleichstrommotors

In Abb. 5.40 ist das Kennfeld m(n) eines Gleichstrom-NebenschlussMotors angegeben. Da sich hierbei die Ankerspannung und die Felderregung unabhängig voneinander variieren lassen, gibt es, ähnlich wie bei der Drehzahlstellung der Drehstrom-Asynchronmaschine mittels Frequenzänderung, zwei Bereiche:

5.4 Elektrische Antriebssysteme

217

• Im Grundstellbereich ist die Ankerspannung gegenüber der Nennspannung reduziert (Ankerstellbereich). Dies kann entweder durch einen zusätzlichen Vorwiderstand im Ankerkreis erreicht werden, oder aber durch Reduzieren der Speisespannung. In jedem Fall ist dabei vorausgesetzt, dass die Erregung konstant auf ihrem maximalen Wert gehalten wird. Das Zuschalten eines Vorwiderstandes macht die Drehmomentcharakteristik weicher, ist jedoch verbunden mit erheblichen Stromwärmeverlusten im Vorwiderstand, weshalb diese Methode der Drehzahlstellung heute kaum mehr angewendet wird. Dagegen bleibt beim Herabsetzen der Ankerstellbereich (mit ϕ = 1) 2

Feldstellbereich (mit u = 1)

26105-D-07 26105-D-07

1,8 Nenn-Punkt

1,6

12

1,2 16

Rel. Ankerstrom i2A,:0 1, 8

1

1, 6

20

Rel. Drehmoment

4

8

0

Rel. Vorwiderstand rV: (mit u = 1)

1,4

0,8

1,4 1 ,2

0,6

1,0

Rel. Erregung ϕ:

0,4

0,6

0,8

0,6

0,4 1,0

0,6

0,4

0,2

0,8

0,2

1,0

Rel. Speisespannung u: (mit rV = 0)

0,8 0,5

(mit u = 1)

0,2

0

0

0,5

1

1,5

2

Rel. Drehzahl

Abb. 5.40. Momenten-Kennlinien des Gleichstrom-Nebenschluss-Motors

218

5 Stationäre Antriebe

Speisespannung in einem leistungselektronischen Stellglied die Steifheit der Drehmomentcharakteristik unverändert, und die Verluste erhöhen sich nur unwesentlich. Bei einem fremdgekühlten Motor ist auch bei verkleinerter Drehzahl der volle Ankerstrom zulässig, daher kann er stets mit dem Nennmoment belastet werden. Nimmt man im Falle eines eigengekühlten Motors an, dass die zulässige Verlustwärme proportional zur Drehzahl ist, so geht das zulässige Lastmoment mit der Wurzel der Drehzahl zurück. • Im Feldstellbereich wird bei voller Ankerspannung das Erregerfeld geschwächt. Nimmt man, unabhängig von der Drehzahl, den Nennstrom als höchstens zulässig an (Fremdkühlung), so bleibt das Produkt aus Drehzahl und Drehmoment, mithin also die abgebbare Leistung, konstant. Die Drehzahlsteifheit des Motors wird im Feldstellbereich etwas kleiner. Die maximal zulässige Drehzahl liegt im allgemeinen beim 2- bis 4-fachen der Nenndrehzahl und ist in erster Linie durch die Fliehkräfte im Anker, des weiteren durch Probleme bei der Kommutierung begrenzt. Nebenschlussmotoren besitzen eine hohe Drehzahlsteifheit auch bei größeren Laständerungen und sind damit für Antriebe geeignet, die unabhängig vom Grad der Belastung eine möglichst konstante Drehzahl erfordern, z. B. als Antrieb für Werkzeugmaschinen. Zum Anlauf ist meist eine Strombegrenzung erforderlich. Der Gleichstrom-Reihenschluss-Motor weist ein andersartiges Kennfeld auf, s. Abb. 5.41. Da der Ankerstrom auch die Erregerspule durchfließt, wird durch ihn das Erregerfeld bestimmt. Bei größeren Strömen macht sich gemäß der Magnetisierungskennlinie eine Sättigung bemerkbar, cE ist also nicht mehr konstant (vgl. Abb. 5.39). Zwischen dem Drehmoment und dem Motorstrom besteht ein fester Zusammenhang. Das resultierende typische „Reihenschluss-Verhalten“ zeichnet sich aus durch hohes Anzugsmoment und eine „weiche“ Charakteristik (geringe Drehzahlsteifheit) im stationären Betriebsbereich. Damit verbunden sind besonders günstige Bedingungen hinsichtlich einer vorübergehenden Überlastbarkeit. Reihenschlussmotoren sind daher geeignet für Schwerlastanlauf, z. B. für Fahrzeuge, Bahnbetrieb, Hebezeuge oder Lüfter. Sie sollten wegen der Gefahr des „Durchgehens“ nicht für Antriebe verwendet werden, die betrieblich entlastet werden können. Der Doppelschlussmotor besitzt sowohl eine Nebenschlusswicklung zur Begrenzung der Leerlaufdrehzahl als auch eine Reihenschlusswicklung zur Erhöhung des Anzugsmoments. Er wird für Antriebe wie beispielsweise Walzstraßen, Förderanlagen, Pressen, Scheren, Stanzen eingesetzt.

5.4 Elektrische Antriebssysteme

219

2

26372-B-07 26372-B-07

1,8 1,4 1,6

1,2

1,2

Nenn-Schlupf sN Nenn-Punkt

1

1

0,8

0,8

0,2

0,4

0 ,6

0,6

0,4

0,8

1

Rel. Speisespannung u:

Rel. Strom

Rel. Drehmoment

1,4

0,6

0,2

0,4

0

0,2 0

0

0,5

1

1,5

2

Rel. Drehzahl

Abb. 5.41. Momenten-Kennlinien des Gleichstrom-Reihenschluss-Motors

5.4.6

Kleinmotoren 35

Tabelle 5.5 gibt eine Übersicht über die Bauarten von Kleinmotoren, ihre technischen Daten und die wichtigsten Anwendungen. 5.4.6.1 Universalmotor

Beim Universalmotor handelt es sich um eine Kommutator-Reihenschlussmaschine, die zur Verringerung der Wirbelstromverluste im Stator bei Wechselstrombetrieb im Unterschied zur Gleichstrom-Reihenschlussmaschine auch einen geblecht ausgeführten Stator aufweist. 35

Nach (Langgaßner 2001)

220

5 Stationäre Antriebe

Hauptvorteile sind die variable und von der Netzfrequenz unabhängige Drehzahl, die bis zu 40000 U/min erreichen kann (Staubsauger) und die leichte Drehzahlverstellmöglichkeit über einfache Phasenanschnittsteuerung (Triacsteller). Aufgrund des Reihenschlussverhaltens entwickeln Universalmotoren ein hohes Anlaufmoment. Tabelle 5.5.

Kleinmotoren (Übersicht)

Motorart Universalmotor

Leistung [W] Wirkungsgrad Anwendung (Haushalt) bis 2000

45 bis 70 %

Staubsauger; Handwerksmaschinen; Waschmaschinentrommel

Kondensatormotor

30 bis 1000

35 bis 70 %

Rasenmäher; Kühlaggregate; größere Pumpen; Wäschetrocknertrommel; Heizungsumwälzpumpe

PermanentmagnetSynchronmotor

4 bis 30

45 bis 60 %

kleine Pumpen

100 bis 300 bis 100

bis 40 % bis 25 %

Spaltpolmotor, symmetrisch unsymmetrisch

Wäscheschleuder; Dunstabzug kleine Pumpen

Nachteile sind der Verschleiß der Kohlebürsten des Kommutators, die vom Kommutator ausgehenden Funkstörungen, die zusätzliche Entstörmaßnahmen erfordern und der durch den Kommutator bedingte erhöhte Herstellungsaufwand. Das Schaltungsschema des Universalmotors ist in Abb. 5.42 (oben) mit einer möglichen Triacschaltung zur Drehzahlveränderung gezeigt. Die Triacschaltung übernimmt dabei die Aufgabe der effektiven Spannungsreduktion. Über den variablen Widerstand kann die Aufladungszeit des Kondensators eingestellt werden. Bei Überschreiten einer Schwellenspannung am Kondensator schaltet der Diac die Kondensatorspannung an den Triac durch, der dadurch in den leitenden Zustand versetzt wird und somit um den sog. Zündwinkel phasenverzögert den Stromfluss im Motorkreis zulässt. Der Triac geht beim nächsten Stromnulldurchgang wieder in den Sperrzustand über und wird in der folgenden Halbwelle über die Steuerspannung in der Gegenrichtung gezündet. Der Triacsteller eignet sich somit zur Ansteuerung der positiven und der negativen Halbwelle.

5.4 Elektrische Antriebssysteme

221

Schaltungsschema

L N Triacschaltung Ständer Läufer

30092A01

Kennlinien (Beispiel) 400

0,7

350

Leistung P in W

η

0,6

M

300

0,5

250 0,4 200 0,3

Pmech

150

0,2

100 30093A01

50 0 0

5000

10000

15000

0,1

Wirkungsgrad , Drehmoment M in Nm

Pel

0 20000

Drehzahl n in U/min

Abb. 5.42. Schaltungsschema und Kennlinien eines Universalmotors

Neben dem Triacsteller werden auch pulsweitenmodulierte Schaltungen zur Drehzahlstellung eingesetzt. Hauptvorteil dieser Schaltung liegt im ruhigeren Motorlauf aufgrund der sinusförmigen resultierenden Spannung. Universalmotoren werden in Geräten mit Leistungen bis etwa 2 kW eingesetzt und kommen überall dort zum Einsatz, wo variable Drehzahlen oder besonders hohe Drehzahlen erforderlich sind. Im Hausgerätebereich werden sie daher insbesondere in Waschmaschinen wegen der großen Drehzahlbandbreite für Waschen-Schleudern und in Staubsaugern aufgrund der für die Effizienz des Lüfterrades günstigen hohen Drehzahlen von weit über 10000 U/min eingesetzt. Daneben befinden sich Universalmotoren in zahlreichen Klein- und Hausgeräten (z.B. Nähmaschine). Das typische Betriebsverhalten eines Universalmotors bei Wechselstrombetrieb ist in Abb. 5.42 (unten) dargestellt. Charakteristisch ist das Reihenschlussverhalten des Drehmomentes, wobei aufgrund des Wechselstromes die elektrische Leistungsaufnahme im Bereich niedriger Drehzahlen abweichend vom Verhalten der Gleichstromreihenschlussmaschine wieder sinkt.

222

5 Stationäre Antriebe

5.4.6.2 Kondensatormotor

Der Kondensatormotor, ein Einphasen-Asynchronmotor mit Hilfswicklung, zeichnet sich durch robuste wartungsarme Bauart, geringe Drehzahlabhängigkeit bei Belastung und gutes Anlaufdrehmoment bei entsprechender Kondensatordimensionierung (Anlaufkondensatorschaltung) aus. Im Gegensatz zur Drehstrom-Asynchronmaschine mit ihrer symmetrischen dreisträngigen Wicklung arbeitet die Einphasen-Asynchronmaschine mit einer Haupt- und einer Hilfswicklung, deren Funktionen bei identischer Ausführung durch externe Verschaltung beliebig vertauschbar sind, z.B. zur Drehrichtungsumkehr. Während bei der Drehstrom-Asynchronmaschine durch die Phasenverschiebung in den drei Phasen und die symmetrische räumliche Anordnung der drei Wicklungen ein räumlich umlaufendes konstantes Drehfeld erzeugt werden kann, erhält man beim einphasigen Wechselstrom nur ein Wechselfeld. Um daraus ein zur kontinuierlichen Drehmomentbildung notwendiges Drehfeld erzeugen zu können, bedient man sich einer Hilfswicklung die, wie in Abb. 5.43 (oben) gezeigt, idealerweise räumlich um 90° versetzt zur Hauptwicklung angeordnet und mit einem zusätzlichen Element zur Phasenverschiebung versehen ist. Die günstigsten Ergebnisse werden mit einem Kondensator erzielt, woraus sich die Bezeichnung Kondensatormotor ableitet; es können aber auch Widerstände oder Spulen verwendet werden. Analog zur geometrisch versetzten Anordnung der Hilfsspule erreicht man bei Phasenverschiebung der Ströme zwischen der Hauptund Hilfswicklung von ebenfalls 90° ein Kreisdrehfeld, welches jedoch wegen der nicht variablen Kondensatorkapazität nur für einen Betriebspunkt erreichbar ist. Bei Abweichung vom Auslegungspunkt ergibt sich ein elliptisches Drehfeld, welches zu Drehmomentschwankungen während des Rotorumlaufes und zu sinkendem Wirkungsgrad führt. Man unterscheidet bei Kondensatormotoren drei Funktionsweisen: • Am häufigsten wird die Betriebskondensatorschaltung ausgeführt. Dabei ist der Kondensator im Hilfszweig fest verschaltet und in der Regel so dimensioniert, dass sowohl ausreichendes Anzugsdrehmoment als auch annähernd symmetrischer Betrieb im Betriebspunkt erreicht wird. Bei nicht zu großen Anforderungen an das Anzugsdrehmoment stellt diese Schaltung einen günstigen Kompromiss zwischen Schaltungsaufwand und Wirkungsgrad dar. • Da der Wirkungsgrad bei deutlicher Abweichung von der symmetrischen Auslegung im Betriebspunkt sinkt, wird für Einsatzbereiche mit hohem erforderlichen Anzugsmoment die Anlaufkondensatorschaltung bevorzugt. Bei dieser Schaltung wird der Kondensator wegen des maximalen

5.4 Elektrische Antriebssysteme

223

Schaltungsschema mit Betriebs- und Anlaufkondensator

L 30094B01

N

Betriebskondensator

Hauptwicklung

Käfigläufer

Anlaufkondensatorschaltung

Hilfswicklung

700 600 Leistung P in W

1

Pel

0,8

M

500 400

0,6

η

300 Nennleistung

0,4

200

Pmech

0,2

100 0

30134B01

0

Wirkungsgrad η , Drehmoment M in Nm

Kennlinienbeispiel eines Kondensatormotors mit Betriebskondensator

1000 2000 Drehzahl n in U/min

0 3000

Abb. 5.43. Schaltungsschema und Kennlinien eines Kondensatormotors

Anzugsmoments überdimensioniert; er wird nach Erreichen der Betriebsdrehzahl (z.B. durch Fliehkraftschalter oder Zeitschalter) weggeschaltet. Der Motor läuft dann als einsträngiger Wechselstrommotor weiter. Nachteile dieser Schaltung sind der Aufwand für die Kondensatorabschaltung und der einsträngige Betrieb mit Wechselfeld. • Die Vorteile beider Schaltungen verbindet der Doppelkondensatormotor. Bei ihm sind zwei Kondensatoren im Hilfszweig parallel geschaltet, wobei einer als Anlaufkondensator zur Drehmomentsteigerung dient und nach Erreichen der Betriebsdrehzahl weggeschaltet wird. Der zweite Kondensator ist als Betriebskondensator fest verschaltet und kann optimal auf den Betriebspunkt abgestimmt werden, weil das Anlaufdrehmoment zum Großteil vom Anlaufkondensator bereitgestellt wird. Diese Lösung stellt das Optimum hinsichtlich des Anlauf- und Wirkungsgradverhaltens dar, ist aber auch mit dem höchsten Schaltungsaufwand verbunden.

224

5 Stationäre Antriebe

Neben der konstruktiven Gestaltung hat die Dimensionierung der Kapazität(en) im Hilfszweig entscheidenden Einfluss auf das Betriebsverhalten und den Wirkungsgrad des Kondensatormotors. Am Beispiel eines Umwälzpumpenmotors sollen diese Zusammenhänge in Abb. 5.44 näher erläutert werden. 0,75

Drehmoment M in Nm

20 µF 0,5

10 µF

0,25

0 µF

30095C01

0 0

1000

2000

3000

Drehzahl n in U/min

Abb. 5.44. Drehmoment/Drehzahl-Kennlinien eines Kondensatormotors bei Variation der Kondensatorkapazität

Ausgehend vom offenen Hilfszweig, zeigt die Kennlinie (0 μF) das typische Verhalten eines Asynchronmotors bei einphasigem Betrieb mit einem Wechselfeld. Da dieses Wechselfeld in zwei gegensinnig umlaufende Drehfelder halber Amplitude zerlegt werden kann, liefert der Motor im Stillstand kein Drehmoment, ein Eigenanlauf ist somit nicht möglich. Sobald der Motor in einer Richtung dreht, überwiegt die jeweils mitlaufende Komponente des Drehfeldes die gegenlaufende und der Motor liefert ein treibendes Drehmoment in Drehrichtung. Der Verlauf des Drehmomentes weist dabei typisch asynchronen Charakter auf. Befindet sich im Hilfszweig ein Kondensator, so entwickelt der Motor zunächst mit zunehmender Kapazität ein steigendes Anlauf- und Betriebsdrehmoment, weil nun aufgrund der räumlichen Anordnung der Wicklungen und der Phasenverschiebung zwischen den Wicklungen ein umlaufendes Drehfeld gebildet wird. Bei klein dimensioniertem Kondensator handelt es sich zunächst um ein elliptisches Feld mit Übergewicht in Richtung Hauptwicklung. Vergrößert man die Kapazität, dann bildet sich bei einer bestimmten Kapazität und Belastung wie bei der Drehstrommaschine ein Kreisdrehfeld, d.h. die gegenlaufende Komponente des Wechselfeldes mit ihrem schwächenden Einfluss auf das Drehmoment entfällt. Wird die Kondensator-

5.4 Elektrische Antriebssysteme

225

kapazität weiter erhöht, nimmt das Drehfeld wieder elliptische Form an, jedoch nun mit Übergewicht in Richtung Hilfswicklung. Der asynchrone Charakter geht dabei, wie die Kennlinie für 20 μF in Abb. 5.44 zeigt, sukzessive zugunsten eines nebenschlussähnlichen Verhaltens verloren. Aufgrund der hohen Ströme im Hilfszweig ist in diesem Bereich kein Dauerbetrieb mehr möglich. Diese Schaltung kommt wegen des hohen Anlaufmoments lediglich als Anlaufkondensatorschaltung mit kurzer Überlastung des Motors in Frage. Je kleiner der ohmsche Widerstand in den Leitern des Kurzschlussläufers ist, desto geringer ist der Läuferschlupf bei gegebener Motorbelastung. Das bedeutet geringere Stromwärmeverluste im Läufer und somit besseren Wirkungsgrad. Eine möglichst widerstandsarme Läuferauslegung ist somit aus energetischer Sicht anzustreben, hat jedoch den Nachteil eines geringeren Anlaufmoments. Kondensatormotoren werden heute insbesondere für drehzahlkonstante Anwendungen eingesetzt. Im Haushaltsbereich sind dies leistungsstärkere Pumpenantriebe (z.B. Umwälzpumpe einer Spülmaschine) drehzahlkonstante Trommelantriebe (Wäschetrockner) und vor allem die Kompressorantriebe in Kühl- und Gefriergeräten. Aufgrund des hohen Energieverbrauchs für den Bereich Kühlen und Gefrieren kommt diesen Antrieben die größte Bedeutung auch beim möglichen Einsparpotenzial zu. Der Leistungsbereich dieser Motoren reicht von rund 30 W in Heizungsumwälzpumpen bis über 1000 W im elektrischen Rasenmäher. Die Betriebsdrehzahlen der üblicherweise zweipolig ausgeführten Motoren variieren schlupfabhängig zwischen 2100 und 2900 U/min. Die erreichten Wirkungsgrade (gemessene Bestwerte) hängen stark von der Anwendung ab: • • • • •

Bis zu 70 % bei Kühlaggregatantrieben, Lüfterantriebe in Wäschetrocknern mit 45 bis 69 %, Trommelantriebe in Wäschetrocknern mit bis zu 64 %, Umwälzpumpenantriebe in Geschirrspülern mit ca. 60 % und Heizungsumwälzpumpen mit lediglich maximal etwa 35 %.

5.4.6.3 Permanentmagnet-Synchronmotor

Permanentmagnet-Synchronmotoren ersetzen heute immer mehr die wirkungsgradschwachen Spaltpolmotoren. Aufgrund des Wegfalls der Läuferinduktion erreichen Permanentmagnet-Synchronmotoren relativ hohe Wirkungsgrade (maximal zwischen 45 und 60 %).

226

5 Stationäre Antriebe

Aufbau und Funktionsweise sind, wie im Motorschema in Abb. 5.45 (oben) ersichtlich, sehr einfach und kommen daher einer Massenfertigung sehr entgegen. Der mit einem Permanentmagnet erregte Läufer liegt im Wechselfeld des von der Primärspule umschlossenen Eisenjochs. Schaltungsschema L 30096A01

N

N

Läufer permanenterregt

S

Spule

Kennlinien (Beispiel) 18

60 η

50 Pmech

12

40

9

30

6

20

3

Wirkungsgrad η in %

Leistung Pmech in W

15

10 30097A01

0 0

5

10

15

20 25 Leistung Pel in W

30

35

0

40

Abb. 5.45. Schaltungsschema und Kennlinien eines Permanentmagnet-Synchronmotors

Das Betriebsverhalten des permanenterregten Synchronmotors ist aufgrund der synchronen Drehzahl nicht als Drehzahl-Drehmomentkurve darstellbar. Eine charakteristische Kurve liefert bei konstanter Drehzahl der Zusammenhang von elektrisch aufgenommener Leistung zu abgegebenem Drehmoment bzw. mechanischer Leistung. In Abb. 5.45 (unten) ist die mechanische Leistung über der elektrischen Leistung aufgetragen. Aufgrund der relativ hohen Reibungsverluste des Gesamtsystems (Motor und Arbeitsmaschine) ist eine beträchtliche elektrische Mindestleistung für den Leerbetrieb erforderlich. Mit steigender Belastung verhält sich der Verlauf der Belastungskurve annähernd proportional zum Sinus des Polradwinkels im Bereich 0 bis 90°, wobei die mechanische Leistungsabgabe bereits vor dem Erreichen der Stabilitätsgrenze bei 90° bereits wieder leicht zurückgeht. Nach Überschreiten des Grenzwinkels reißt die mechanische Leistungsabgabe abrupt ab, d.h. der Motor fällt außer Tritt. Die Stabilitätsgrenze ist im Beispiel am Ende der Kennlinie bei Pel = 40 W erreicht.

5.4 Elektrische Antriebssysteme

227

Nachteil dieses Motortyps ist das schlechte Anlaufverhalten unter Last, weil der Läufer im günstigsten Fall innerhalb einer halben Umdrehung auf Synchrondrehzahl beschleunigt werden muss. Ist aufgrund der Stellung des Rotors der Anlaufwinkel zu klein oder das Trägheitsmoment zu groß, dann gelangt der Rotor nicht rechtzeitig vor dem Wechsel der Polarität des Ständerpoles aus dem Wirkungsbereich dieses Poles und wird dann wieder abgebremst und in Gegenrichtung beschleunigt. Der Anlauf erfolgt nun in Gegenrichtung, weil jetzt der gesamte Anlaufwinkel zur Verfügung steht. Bei zu großem Trägheitsmoment wiederholt sich der Beschleunigungs- und Bremsvorgang, d.h. der Motor schwingt lediglich hin und her. Da sich die Auslegung somit nach den Anlaufmöglichkeiten richten muss, lässt sich im stationären Betrieb nur eine relativ geringe Ausnutzung des Motormoments erreichen. Eine Verbesserung des Anlaufverhaltens erhält man durch Einbau eines Freilaufes der Motorwelle mit den Permanentmagneten gegenüber dem Pumpenrad. Dadurch kann die Belastung im günstigsten Fall um nahezu eine Umdrehung verzögert werden, erfolgt aber dann schlagartig. Permanentmagnet-Synchronmotoren werden im Leistungsbereich von 4 bis 30 W eingesetzt und arbeiten mit synchroner Drehzahl von 3000 U/min. Sie werden insbesondere für kleine Pumpenantriebe, wie z.B. Laugenpumpen in Waschmaschinen und Geschirrspülern oder Kondensatpumpen in Wäschetrocknern eingesetzt. Die Möglichkeit des Anlaufs in beiden Richtungen ist bei Verwendung in Laugenpumpen sogar erwünscht, da Fasern oder Haare bei Drehrichtungsumkehr wieder freigespült werden können und somit ein Selbstreinigungseffekt eintritt. 5.4.6.4 Spaltpolmotor

Der Spaltpolmotor ist eine Sonderbauform der Einphasenasynchronmaschine mit Hilfswicklung, bei der die zur Erzeugung des Phasenversatzes dienende Hilfswicklung in Form von Kurzschlussringen um Teilbereiche der Hauptpole ausgeführt ist. Durch die Induktion eines Stromes im Kurzschlussring verzögert sich der Flussaufbau im Bereich des vom Kurzschlussring umfassten Polbereiches und liefert somit die zur Drehfelderzeugung notwendige Phasenverschiebung. Der Name Spaltpolmotor leitet sich aus dieser Teilung des Hauptpoles in zwei Bereiche her. Der geometrische Winkel ist allerdings aufgrund der Bindung der Spaltpole an die Ausdehnung der Hauptpole deutlich kleiner als 90°, wodurch kein Kreisdrehfeld, sondern lediglich ein stark elliptisches Drehfeld erreichbar ist. Da zudem die Ströme im Läufer ! einem symmetrisch aufgebauten Kurzschlussläufer mit Aluminiumkäfig ! hohe Stromwärmeverluste verursachen, bleibt der Wirkungsgrad bei Spaltpolmotoren deutlich hinter dem aller anderen Motortypen zurück.

228

5 Stationäre Antriebe

Man unterscheidet beim Spaltpolmotor zwischen symmetrischer und unsymmetrischer Bauform. Der Aufbau des unsymmetrischen Spaltpolmotors in Abb. 5.46 (oben links) zeigt den in einer Nut, dem namensgebenden „Spalt“, um jeweils einen kleinen Teilbereich des Hauptpoles gelegten Kurzschlussring aus massivem Kupfer und die unsymmetrische Anordnung der Ständerwicklung, die aufgrund der luftspaltfernen Lage zudem erhöhte Streuflüsse aufweist. In modernen Spaltpolmotoren findet man heute meist zwei Nuten mit Kurzschlussringen, die im Winkel des jeweiligen Polbereiches angeordnet sind. Charakteristisches Merkmal der Spaltpolmotorkennlinie, s. Abb. 5.46 (unten), ist das von der dritten Oberwelle verursachte Sattelmoment, das insbesondere bei älteren Konstruktionen zu einer deutlichen Einsattelung des Drehmomentverlaufs im Bereich um 1000 U/min führt. Durch konstruktive Maßnahmen (mehrere Kurzschlussringe, geometrische Anordnung) konnte eine weitgehende Unterdrückung dieser Einsattelung in Verbindung mit einer Wirkungsgradsteigerung von früher üblichen maximal 15 % auf etwa 25 % erreicht werden.

Schema eines unsymmetrischen und eines symmetrischen Spaltpolmotors

L N

Spulen

30100A01

Käfigläufer

30098A01

Kurzschlussringe

90

Pel

25 20

60

15 M

30

10 η 5

Pmech 0

30101B01

0

1000

2000

Abb. 5.46. Schema und Kennlinien des Spaltpolmotors

0 3000

Wirkungsgrad η in %

Leistung P in W, Drehmoment M in mNm

Kennlinien (Beispiel)

5.4 Elektrische Antriebssysteme

229

Der unsymmetrische Spaltpolmotor wird vor allem als Pumpenantrieb in Wasch- und Geschirrspülmaschinen zum Abpumpen des Wassers in den Abfluss und als Lüfterantrieb im unteren Leistungsbereich bis 100 W eingesetzt. Der Aufbau des symmetrischen Spaltpolmotors unterscheidet sich von der unsymmetrischen Ausführung, wie in Abb. 5.46 (oben rechts) gezeigt, durch die direkt an den Polen angebrachten Ständerwicklungen und die symmetrische Gestaltung der Flussführung im Ständereisen. Die Kurzschlussringe sind in der Regel heute je Pol doppelt ausgeführt. Die Ausführung mit Streunuten findet man nur bei Motoren kleinerer Leistung zur Verbesserung des Drehfeldes. Wegen der besseren Flussführung und aufgrund der meist größeren Leistungen erreichen symmetrische Spaltpolmotoren deutlich bessere Wirkungsgrade bis knapp 40 %. Der Kennlinienverlauf unterscheidet sich nicht wesentlich von dem der unsymmetrischen Bauform. Symmetrische Spaltpolmotoren werden hauptsächlich im Leistungsbereich zwischen 100 bis etwa 300 W gebaut und beispielsweise als Lüfterantriebe für Dunstabzughauben und in Wäscheschleudern eingesetzt.

6

Energieanwendung im Verkehr (Transportwesen)

6.1

Verkehrsaufkommen und Energieverbrauch

Maßgebend für die Entwicklung des Endenergieumsatzes im Verkehr sind die Verkehrsleistungen im betrachteten Zeitraum sowie der spezifische Energiebedarf der einzelnen Verkehrsmittel. 6.1.1

Entwicklung der Verkehrsleistung

In Abb 6.1 ist die Entwicklung der Verkehrsleistungen im binnenländischen Personen- und Güterverkehr der BRD über einen längeren Zeitraum dargestellt.

Straßenfernverkehr

Eisenbahnen Binnenschifffahrt

1960 196

0

1965 1970 1970 1975 1975 1965

1980 1985 1985 1980 Jahr

1990 1990

1995 1995

Abb. 6.1. Verkehrsleistungen im Personen- und Güterverkehr der Bundesrepublik Deutschland (alte Bundesländer)

Die Verkehrsleistung im Personenverkehr ist seit 1960 fast durchweg gestiegen. Nur in den Jahren der beiden Ölpreiskrisen sind leichte Rückgänge zu beobachten. Der Anstieg von 250 Mrd. Pkm im Jahr 1960 auf etwa 750 Mrd. Pkm im Jahr 1993 entspricht einem Faktor 3, dabei ist die Zunahme bis 1970 besonders ausgeprägt, aber auch von 1970 bis 1993 ist noch eine Steigerung der Verkehrsleistung um 70% erkennbar. Die bedeutendste Rolle im Personenverkehr spielt der PKW, dessen Anteil

232

6 Energieanwendung im Verkehr (Transportwesen)

an der Verkehrsleistung sowohl absolut auch relativ zugenommen hat. Dieselbe Entwicklung lässt sich beim Flugverkehr beobachten, wenn auch der Anteil trotz beträchtlicher Zuwachsraten noch klein ist. Bei Bussen, Straßenbahnen und Eisenbahnen kann zwar ein leichter Anstieg der Absolutwerte der Verkehrsleistung verzeichnet werden, ihr prozentualer Anteil am Gesamtwert ist jedoch beträchtlich gesunken. Im Güterverkehr ist die Entwicklung deutlich unstetiger und bei weitem nicht so steil wie im Personenverkehr. Die Steigerung der Verkehrsleistung konzentriert sich vor allem auf den Straßenverkehr und die Fernleitungen, der Anteil des Flugverkehrs am gesamten Gütertransport ist vernachlässigbar. Bezieht man die Verkehrsleistung im Personenverkehr auf die Bevölkerungszahl, so ergibt sich für den „Durchschnittsbürger“ 1993 eine insgesamt zurückgelegte Strecke von 11.400 km, davon 9.350 km im „motorisierten Individualverkehr“, 1.000 km mit dem öffentlichen Straßenpersonenverkehr, 700 km mit der Eisenbahn und 350 km mit dem Flugzeug, s. Abb 6.2 . Interessant ist der Vergleich mit Abb 6.3, in dem die Personenkilometer pro Einwohner aufgegliedert sind nach Verkehrszweck. Der „Durchschnittsbürger“ verfuhr 1992 2.280 km (etwa 20%) für den Beruf, 513 km (4,5%) für die Ausbildung, 1.881 km (16,5%) für geschäftliche Zwecke, 1.254 km (11%) für Einkäufe, 4.503 km (39,5%) für Freizeit und 969 km (8,5%) für 16 1000 km Personenkilometer pro Einwohner

14 12

© IfE, 52-122-C-08

Luftverkehr Eisenbahnen öffentl. Straßenpersonenverkehr Motorisierter Individualverkehr

10 8 6 4 2 0 1965

1970

1975

1980

1985 Jahr

1990

1995

2000

2005

Quelle: Verkehr in Zahlen 2007/2008

Abb. 6.2. Verkehrsleistung je Einwohner im deutschen Personenverkehr

6.1 Verkehrsaufkommen und Energieverbrauch

233

Urlaub. Auf Einkäufe, Freizeit und Urlaub zusammen entfallen somit etwa 60% der gefahrenen Kilomter. 4500 4000 2653 26532-A 2-A--07 07

Kilometer je Einwohner

3500 3000 2500 2000 1500 1000

Summe mot. Verkehr Mot. Indiv.verkehr Straßenbahn & Bus Eisenbahn Flugzeug

500

rt

hr sa

ke

Ve r

b Ur lau

tu ng

it

szweck

Be gle i

au f Verkehr

Fr eiz e

Ei nk

Be ru f Au sb ild un g

0

Abb. 6.3. Struktur der Verkehrsleistung im motorisierten Personenverkehr (Deutschland, 2004)

6.1.2

Entwicklung des Endenergieverbrauchs

Qualitativ ähnelt die Entwicklung des Endenergieverbrauchs, s. Abb 6.4 sehr stark jener der Verkehrsleistung, allerdings weist sie einen stärkeren Zuwachs auf. Gründe dafür liegen vor allem im Trend zu schwereren Fahrzeugen und größeren Motorleistungen. Der spezifische Endenergieverbrauch bezogen auf die Verkehrsleistung erhöhte sich sowohl im Straßenverkehr (individual und öffentlich) als auch im Flugverkehr. Die Bundesbahn dagegen zeigt sowohl absolut als auch spezifisch einen eindeutigen Rückgang des Endenergieverbrauchs, obwohl in der Verkehrsleistung sehr wohl ein Zuwachs zu vermerken war. Besonders groß ist die Senkung bis etwa 1975, danach bleibt der Wert ungefähr konstant. Verantwortlich dafür ist die um 1975 abgeschlossene Umstellung von Dampf auf Diesel und Strom. Die sowohl in der Verkehrleistung als auch im Endenergieverbrauch beobachtete Verschiebung der Anteile der Verkehrsträger am Gesamtaufkommen geht Hand in Hand mit einer erheblichen Verschiebung des Anteils

234

6 Energieanwendung im Verkehr (Transportwesen)

900 TWh 800

© IfE, 52-121-C-08

Endenergieverbrauch

700 600

Motorisierter Individualverkehr Straßengüterverkehr Luftverkehr Busse Schienenverkehr

500 400 300 200 100 0 1965

1970

1975

1980

1985

1990

Jahr

1995

2000

2005

Quelle: Verkehr in Zahlen 2007/2008

Abb. 6.4. Endenergieverbrauch im Verkehr nach Verkehrsarten

der festen und flüssigen Brennstoffe und der elektrischen Energie an der Energiebedarfsdeckung im Verkehrssektor, s. Abb 6.5. Bedingt durch die Umstellung von Kohle auf flüssige Brennstoffe und elektrische Energie bei der Bahn, ist der Einsatz fester Brennstoffe seit etwa 3000 PJ

Endenergieverbrauch

2500

2000

© IfE, 52-315-A-08

Biokraftstoffe Dieselkraftstoffe Vergaserkraftstoffe Flugkraftstoffe Strom Kohle

1500

1000

500

0 1960

1965

1970

1975

1980

1985 Jahr

1990

1995

2000

2005

Quelle: Verkehr in Zahlen 2007/2008

Abb. 6.5. Endenergieverbrauch im Verkehr nach Energieträgern

6.1 Verkehrsaufkommen und Energieverbrauch

235

Mitte der 70er Jahre praktisch völlig verschwunden. Durch diese Umstellung und durch die Zunahme des Dieselantriebs im Straßenverkehr erhöhte sich der Anteil von Dieselkraftstoff (aus Mineralöl)im betrachteten Zeitraum von 25% auf fast 43 % des gesamten Endenergieverbrauchs. Absolut ist der Dieselverbrauch auf fast das Fünffache des Wertes von 1960 angewachsen. Hinzu kommt ein zunehmender Anteil an Biodiesel, der den größten Anteil der Biokraftstoffe ausmacht. Der Verbrauch an Vergaserkraftstoffen verzeichnete Anfang der 90er Jahre seinen Höhepunkt mit über 50% des gesamten Endenergieverbrauchs und ist seitdem rückläufig.

6.2

Physik der Fortbewegung

Unabhängig von den verschiedenen Antriebsarten kann die Nutzenergie, die zur Fortbewegung notwendig ist, als diejenige Energie definiert werden, die zur Überwindung der Fortbewegungswiderstände aufzubringen ist. Der Fortbewegungswiderstand setzt sich im Wesentlichen aus vier Komponenten zusammen: • Rollwiderstand • Luftwiderstand (Durchdringungswiderstand) • Steigungswiderstand (Hangabtriebskraft) • Beschleunigungswiderstand. Diese Widerstände sollen nun im Folgenden speziell für die Fortbewegung zu Lande, zu Wasser und in der Luft näher betrachtet werden. Diese Widerstände sollen nun im Folgenden speziell für die Fortbewegung zu Lande, zu Wasser und in der Luft näher betrachtet werden. 6.2.1

Fortbewegung zu Lande

6.2.1.1 Straßenverkehr

Bei der Fortbewegung zu Lande spricht man beim Fortbewegungswiderstand meist vom Fahrwiderstand. Deshalb soll auch hier diese Bezeichnung verwendet werden. Der Rollwiderstand wird beim Abrollen des Rades auf einem Untergrund wirksam:

FR = fR m g cos α S

(6.1)

236

6 Energieanwendung im Verkehr (Transportwesen)

Er berechnet sich aus der Normalkraft des Fahrzeugs zum Untergrund (unter Berücksichtigung des Steigungswinkels αS) und dem Rollreibungsbeiwert fR, der sowohl vom Straßenbelag als auch von der Bereifung abhängt. Den größten Anteil haben im Allgemeinen die Formänderungsverluste der Reifen, die durch die Walkarbeit entstehen und im Reifen sowie dem Straßenbelag in Wärme übergehen. Der Einfluss der Plastizität der Fahrbahn ist auf hartem Untergrund gering. Auf fester, trockener Fahrbahn liegt der Rollreibungsbeiwert typischerweise zwischen 0,015 und 0,020. Bei sehr weichen Böden, Schnee oder losem Sand nimmt er beträchtlich zu, so dass die Widerstandskraft bis zu 15% des Fahrzeuggewichtes betragen kann. Der Luftwiderstand errechnet sich aus:

FL = AQ cW pS

(6.2)

und ist proportional zu • der Querspantfläche AQ als projiziertes Schattenprofil des Wagens in Fahrtrichtung, • dem Luftwiderstandsbeiwert cW, der von der aerodynamischen Formgebung der Karosserie abhängt, • dem Staudruck pS, der mit dem Quadrat der Relativgeschwindigkeit vrel wächst: 1 2 pS = ρL vrel (6.3) 2 Maßgeblich für den Staudruck ist die Geschwindigkeit des Fahrzeugs relativ zur Umgebungsluft. Die Relativgeschwindigkeit vrel ergibt sich also aus der Fahrtgeschwindigkeit vF und der Windgeschwindigkeit vW (beide in Fahrtrichtung positiv gezählt):

vrel = vF − vW

(6.4)

Somit hängt der Luftwiderstand quadratisch von der Geschwindigkeit ab:

FL =

1 2 ρ L AQ cW vrel 2

(6.5)

Bei höheren Geschwindigkeiten stellt der Luftwiderstand den dominierenden Anteil am Fahrwiderstand dar. Der Steigungswiderstand resultiert aus der Hangabtriebskraft:

FS = m g sin α S

(6.6)

Im Gegensatz zu Rollreibungs- und Luftwiderstand kann der Steigungs-

6.2 Physik der Fortbewegung

237

widerstand auch negativ sein, nämlich wenn bei Gefälle der Steigungswinkel αS negativ ist. Der Beschleunigungswiderstand resultiert daraus, dass die Trägheit einer Masse ihrer Beschleunigung entgegenwirkt. Dabei unterscheidet man zwei Komponenten: • den translatorischen Widerstand FB,t = m vF ,

(6.7)

mit m: Fahrzeugmasse in kg vF : translatorische Beschleunigung in m/s² • den rotatorischen Widerstand

FB,rot =

J R + i2 JM J + i2 J ω = R 2 M vF , r r

(6.8)

mit JR: JM: i: r:

Massenträgheitsmoment der Räder, Massenträgheitsmoment des Motors, Gesamtübersetzung zwischen Motor und Antriebsrädern, dynamischer Antriebsradius = Abstand zwischen Radachse und Fahrbahn,  ω : Winkelbeschleunigung des Antriebsrades

Zur überschlägigen Berechnung wird der rotatorische Anteil in Form eines dimensionslosen Zuschlags bei der translatorischen Komponente berücksichtigt:

FB = m (1 + frot ) vF .

(6.9)

Der Zuschlagterm frot liegt beim PKW je nach Gang etwa zwischen 0,05 im vierten und 0,6 im ersten Gang. Bei einem LKW liegt er im ersten Gang bei etwa 2,0. Der gesamte Fahrwiderstand ergibt sich somit zu

FF = FR + FL + FS + FB .

(6.10)

Eine entsprechende Vortriebskraft muss über die Antriebsräder aufgebracht werden. Dabei liefert der Antrieb eine Fortbewegungsleistung PF.

238

6 Energieanwendung im Verkehr (Transportwesen)

6.2.1.2 Schienenverkehr

Im wesentlichen entsprechen die physikalischen Gegebenheiten auf der Schiene denen auf der Straße. Einige Unterschiede sind durch das System (Rad/Schiene) sowie die Traktionsart (Lokomotive/Waggon) bedingt. Bei der Bahn wird begrifflich zwischen Beschleunigungswiderstand und Bewegungswiderstand unterschieden. Der Bewegungswiderstand setzt sich aus dem Laufwiderstand und dem Streckenwiderstand zusammen. Der Laufwiderstand besteht seinerseits aus drei Anteilen: • Der Rollwiderstand (s. Gl. (6.1)) wird beim Abrollen des Rades auf der Schiene wirksam und ist nur wenig abhängig von der Fahrtgeschwindigkeit. Hinzu kommt der Reibungswiderstand in den Lagern der Laufachsen. • Der Luftwiderstand ergibt sich nach Gl. (6.2) aus der Relativbewegung des Fahrzeugs zur umgebenden Luft. Er ist von der Querspantfläche, der aerodynamischen Formgebung und der Länge des Zuges abhängig. • Eine zusätzliche Komponente ist der Impulswiderstand der Luftmassenströme durch das Fahrzeug zur Fahrmotorenkühlung, Klimatisierung etc. Der hierdurch bedingte Widerstand ist sehr klein gegenüber den anderen Komponenten. Zur Berechnung des Laufwiderstandes von Reisezügen wird bei der Deutschen Bahn i.a. die Formel nach Sauthoff verwendet. Diese Zahlenwertgleichung lautet in vereinfachter Schreibweise:

FLauf = 1,9 ⋅ m ⋅ g + 0, 0025 ⋅ m ⋅ g ⋅ vF 2 + 0,06828 ⋅ ( n + 2,7 ) ⋅ ( vF + 15 ) .

(6.11)

In dieser Zahlenwertgleichung bedeutet n die Anzahl der Wagen, die Zugmasse m ist in t und die Fahrgeschwindigkeit vF in km/h einzusetzen; den Laufwiderstand erhält man in N. Der Streckenwiderstand besteht aus dem Neigungswiderstand, der gemäß Gl. (6.6) dem Steigungswiderstand im Straßenverkehr entspricht, und dem Bogenwiderstand, der vom Kurvenradius und der Fahrzeugbauart abhängt. Der Beschleunigungswiderstand ergibt sich analog zum Straßenverkehr aus der translatorischen Beschleunigung sowie der Beschleunigung der rotierenden Massen (Motoren, nichtangetriebene und angetriebene Radsätze, etc.).

6.2 Physik der Fortbewegung

6.2.2

239

Fortbewegung zu Wasser

Bei der Fortbewegung eines Wasserfahrzeugs sind nach (Eck 1974) Zähigkeitswiderstand und Wellenwiderstand zu überwinden. Der „Zähigkeitswiderstand“ setzt sich aus dem Reibungswiderstand (von ca. 25 % bei langsamen Schleppkähnen bis ca. 75% bei Schnellbooten) und dem Ablösungswiderstand in Höhe von ca. 10% zusammen. Der „Wellenwiderstand“ resultiert aus der Wasserverdrängung und entspricht dem Integral des Normaldrucks durch Wellenbildung, der auf die Schiffsoberfläche wirkt, über diese Fläche. Bei Schnellbooten kann er bis zu zwei Drittel des gesamten Fortbewegungswiderstandes ausmachen. Wegen der komplexen Abhängigkeit von der Geschwindigkeit wird der Wellenwiderstand meist experimentell ermittelt. 6.2.3

Fliegen

Im Horizontalflug ist zusätzlich zum Strömungswiderstand der Luft die Gewichtskraft des Flugzeugs zu überwinden. Es wirken zwei aerodynamische Kräfte: entgegen der Bahnrichtung der Strömungswiderstand und senkrecht dazu der Auftrieb. Der Auftrieb eines Tragflügels entsteht durch die Druckdifferenz zwischen der Saugseite (oben) und der Druckseite (unten) und errechnet sich nach

FA = ca ρ L

vF2 A, 2

(6.12)

mit ρL: Dichte der Luft vF: Fluggeschwindigkeit A: Fläche des Tragflügels (von oben gesehen). Der Auftriebskoeffizient ca ist praktisch im gesamten zulässigen Betriebsbereich linear abhängig vom „Anstellwinkel“, also dem Winkel zwischen der Flügelsehne und der Bewegungsrichtung des Flugzeugs (s. Abb 6.6). Dabei darf der Anstellwinkel einen gewissen Wert von z.B. 12° nicht überschreiten, da sonst die Strömung an der Oberseite des Tragflügels abreißt und damit der Auftrieb zusammenbricht. Für horizontale Flugrichtung muss der Auftrieb genau die Gewichtskraft des Flugzeugs kompensieren. Unter dieser Voraussetzung muss also folgen-

240

6 Energieanwendung im Verkehr (Transportwesen) Tragflächenprofil

StrömungsWiderstand

FW

Profilsehne

Anstellwinkel α

Bewegungsrichtung Strömungswiderstand

26328-C-08 26328-C-08

Auftrieb FA Auftriebskoeffizient ca

1

Gesamter Strömungswiderstand FW = FW,0 + FW,i

FW,min FW,i ∝

FW,0 ∝ vF2

1 vF2

(Druckwiderstand)

(Induzierter Widerstand)

0 vF,opt

Fluggeschwindigkeit vF

0 -6°

6°

12 °

Anstellwinkel

Abb. 6.6. Auftrieb und Stömungswiderstand beim Horizontalflug

der Zusammenhang zwischen Auftriebskoeffizient und Fluggeschwindigkeit -2 gelten: ca ∝ vF . Je kleiner also die Fluggeschwindigkeit, desto größer muss also der Anstellwinkel sein. Der Strömungswiderstand FW setzt sich aus zwei Komponenten zusammen: • Der Reibungs- bzw. Druckwiderstand FW0 des gesamten Flugzeugs entspricht dem Durchdringungswiderstand der Fortbewegung zu Lande gemäß Gl. (6.2) und hängt somit im Wesentlichen wiederum proportional 2 vom Quadrat der Fluggeschwindigkeit ab: FW,0 ∝ vF . • Der induzierte Widerstand FW,i der Tragflügel entsteht durch die Wirbelbildung an den Flügelenden: v2 FW,i = cW,i ρ L F A . (6.13) 2 Der Koeffizient des induzierten Widerstandes, cW,i, hängt nach Prandtl 2 -4 quadratisch vom Auftriebsbeiwert ab: cw,i ∝ ca ∝ vF . Daraus folgt, dass bei Horizontalflug der induzierte Widerstand Fw,i umgekehrt proportional zum Quadrat der Fluggeschwindigkeit ist: FW,i ∝ vF-2 .

6.2 Physik der Fortbewegung

241

Wie aus Abb 6.6 zu ersehen, gibt es daher für den gesamten Strömungswiderstand FW ein Minimum bei einer bestimmten Geschwindigkeit, die unter dem Aspekt des streckenspezifischen Energiebedarfs somit als "optimale" Fluggeschwindigkeit anzusehen ist. Natürlich hängt der Wert dieser optimalen Geschwindigkeit bei einem bestimmten Flugzeug auch noch von diversen Einflussparametern wie Beladung und Flughöhe ab. Im Steigflug muss der Schub gegenüber dem Wert bei Horizontalflug vergrößert werden, um die in Bahnrichtung wirkende Komponente der Schwerkraft zu kompensieren. Der resultierende Steigwiderstand kann analog zur Fortbewegung zu Lande nach Gl. (6.6) definiert werden. Der Steigwinkel der Flugbahn darf nicht mit dem Anstellwinkel verwechselt werden! 6.2.4

Bewegungswiderstand, Antriebsleistung und Transportleistung verschiedener Verkehrsmittel

Bezieht man den Widerstand eines Körpers auf seine Masse und trägt ihn über der Geschwindigkeit auf, so ergibt sich eine Darstellung wie in Abb 6.7 (Fiala 1987), in der auch die zur Widerstandsüberwindung und damit zur Fortbewegung erforderlichen Leistungen abgelesen und verschiedene Verkehrsmittel diesbezüglich verglichen werden können. Außerdem gehen daraus die Geschwindigkeitsbereiche der einzelnen Verkehrsmittel hervor. 10 26534-A-08 26534-A-08

Fuß

1

gän

g er

ö r st Ze

fahr Rad

Verk ehrs flug ze rer

ug (P

rope ll

W PK

er

m Ka

je pf

t

oo t UB

e Ei s

n Ha

Verkehrsflugzeug (Jet)

10 0

n ah nb

iff ch lss de

1

10

Flussschlepper

0,01 10

10 00

er)

tzug Las

Pferd

0,1

0,1

Kleinflugzeug

100

Fortbewegungsleistung in W/kg

Fortbewegungswiderstand in N/kg

Hubschrauber

1000

10000

Geschwindigkeit in km/h

Abb. 6.7. Fortbewegungswiderstand und Fortbewegungsleistung verschiedener Verkehrsmittel

242

6 Energieanwendung im Verkehr (Transportwesen)

Zur Fortbewegung muss die gesamte Widerstandskraft FF überwunden werden, die Fortbewegungsleistung PF als Nutzleistung ergibt sich damit im Zeitpunkt t zu

PF ( t ) = FF ( t ) vF ( t ) .

(6.14)

Der Energieverbrauch pro Zeiteinheit, Pzu, des Systems ergibt sich aus der Fortbewegungsleistung PF und dem Systemwirkungsgrad ηSys (siehe hierzu Kap. 6.3.1):

Pzu =

PF

ηSys

.

(6.15)

Mit dem Energieverbrauch als Integral der zugeführten Leistung Pzu über der Zeit t: t

Wzu = ∫ Pzu (τ ) dτ

(6.16)

0

und der zurückgelegten Wegstrecke t

s = ∫ vF (τ ) dτ

(6.17)

0

ergibt sich der mittlere spezifische Energieverbrauch zu

wzu =

Wzu . s

(6.18)

Der Momentanwert des spezifischen Energieverbrauchs ist

wzu ( t ) =

Pzu ( t ) vF ( t )

=

FF ( t )

ηSys

(6.19)

Da die Nutzlast mN ! wie auch der Transportweg s ! eine bestimmende Größe der Energiedienstleistung "Transport" ist, kann man den Energieverbrauch auch auf Weg und Nutzlast beziehen: wzu mN . Der Kehrwert dieser doppelt bezogenen Kenngröße kann als Transporteffizienz bezeichnet werden. Diese Größe ist für ein gegebenes Verkehrsmittel unter sonst gleichen Bedingungen näherungsweise proportional zum Nutzlastverhältnis mN/m.

6.3 Technik der Antriebe

243

6.3

Technik der Antriebe

6.3.1

Straßenfahrzeuge mit Verbrennungsmotor

6.3.1.1 Energieflüsse im Otto- und im Dieselmotor

Der Antrieb muss die mechanische Fortbewegungsleistung zur Verfügung stellen und außerdem den Leistungsbedarf der Nebenverbraucher decken. In Abb 6.8 ist der Energiefluss eines Pkw der unteren Mittelklasse mit Ottomotor bei Konstantfahrt mit 80 km/h dargestellt. Kraftstoffleistung: 60 kW (100 %)

Verluste: 51,3 kW (85,5 %)

Pzu Entstehung

Abführung vom Motor

26103-A-00 26103-A-00

20 kW (33,3 %)

Pi

41 kW (68,3 %) PV,th (Motor: thermisch)

(Abgas)

21 kW (35 %) (Wasserkühler)

6 kW (10 %)

PMot 3 kW (5 %)

PV,mech PNV

(Motor: Nebenverbraucher)

PZV PF

1,3 kW (2,2 %)

PV,Ü

(Motor: mechanisch)

9 kW (15 %) (diffus)

(Zusatzverbraucher)

(Kraftübertragung)

Fahrleistung: 8,7 kW (14,5 %)

Abb. 6.1. Energieflüsse in einem PKW mit Ottomotor (Konstantfahrt mit 80 km/h)

Die Kette der Energieflüsse ist durch folgende Glieder beschreibbar: PF

Fortbewegungsleistung oder Fahrleistung, wirksam an den Naben der Antriebsräder zur Überwindung der Fortbewegungswiderstände

244

6 Energieanwendung im Verkehr (Transportwesen)

PV,Ü

Übertragungsverluste durch Reibung im Antriebsstrang (Lager, Differential, Getriebe) PMot = PF + PV,Ü Leistung am Motorabtrieb (üblicherweise an der Kupplung) Leistungsbedarf der Nebenverbraucher, d.h. der Aggregate, die zum PNV Betrieb des Motors notwendig sind (Pumpen für Kraftstoff, Öl und Kühlwasser, Kühlergebläse, Lichtmaschine) PV,mech Mechanische Verlustleistung im Motor durch Reibung, in erster Linie zwischen Kolben und Zylinderwänden sowie in den Kurbelwellenlagern Pi = PMot + PN,V + PV,mech „Innere“ oder „indizierte“ Leistung des Motors durch den Saldo der Kraftübertragung zwischen Arbeitsgas und Kolbenböden PV,th Verlustleistung durch Wärmeübertragung vom Arbeitsgas an die Wandungen sowie durch die Abgasenthalpie (fühlbare, latente und chemische Anteile) Pzu = Pi + PV,th Zugeführte Leistung in Form chemisch gebundener Energie des Kraftstoffs. Die Verluste des Motors werden hauptsächlich über den Kühler sowie über das Abgas abgeführt. Etwa zwei Drittel der Abgasverluste sind fühlbarer Natur, der überwiegende Rest ist die Verdampfungsenthalpie des im Abgas enthaltenen Wasserdampfes, sowie ein geringer Anteil an chemisch gebundener Energie, hauptsächlich in Form von CO. Dagegen fallen die Anteile kinetischer Energie (aufgrund der Abgasströmung) und potenzieller Energie (aufgrund des Überdruckes im Abgaskrümmer) nicht ins Gewicht. Die drei Posten Abgas, Wasserkühler und diffuse Verluste beziehen sich auf den Motor (einschließlich Hilfsaggregate) als Bilanzraum. Betrachtet man hingegen das ganze Fahrzeug, so ändern sich die Relationen wesentlich, da das Abgas aus der Auspuffmündung mit viel geringerer Temperatur austritt und somit der Anteil der diffusen Wärmeabgabe insgesamt größer wird. Folgende Wirkungsgrade sind gebräuchlich: • Der „innere“ oder „indizierte“ Wirkungsgrad

ηi =

Pi Pzu

(6.20)

ist jeweils am größten bei mittleren Werten des Drehmoments und steigt mit wachsender Drehzahl. Bei einem modernen Pkw-Ottomotor erreicht er Werte bis etwa 45 % im Bestpunkt.

6.3 Technik der Antriebe

245

• Der „mechanische“ Wirkungsgrad

ηmech =

PMot Pi

(6.21)

wird kleiner mit wachsender Drehzahl, da hiermit die Reibungsverluste überproportional ansteigen. Da ferner die Reibungsverluste bei konstanter Drehzahl ebenfalls praktisch konstant sind, erhöht sich der mechanische Wirkungsgrad mit steigendem Drehmoment. Im unteren Drehzahlbereich werden von heutigen Pkw-Ottomotoren bei maximalem Drehmoment Werte bis etwa 85 % erreicht. Im praktischen Fahrbetrieb liegen die Werte üblicherweise zwischen 40 und 60 %. • Der Gesamtwirkungsgrad des Motors

ηMot =

PMot = ηi ηmech Pzu

(6.22)

entspricht dem Produkt aus beiden Teilwirkungsgraden und wird häufig auch als „effektiver Wirkungsgrad“ ηe bezeichnet. Die besten Werte von etwa 34 % bei modernen Pkw-Ottomotoren erreicht er bei mittlerer Drehzahl und nahezu maximalem Drehmoment. • Der „Übertragungswirkungsgrad“ des Antriebsstrangs

ηü =

PF PMot

(6.23)

liegt bei einem Pkw mit Schaltgetriebe üblicherweise zwischen 85 und 90 %, bei Automatikgetriebe wegen der höheren Verluste im hydraulischen Wandler etwas darunter. • Der „Systemwirkungsgrad“

ηSys =

PF = ηMot ηü Pzu

(6.24)

kennzeichnet die Effizienz des Gesamtsystems. Die Abhängigkeit des Wirkungsgrades eines Antriebs von den Betriebsparametern Drehzahl und Drehmoment kann in sogenannten „Muscheldiagrammen“ verdeutlicht werden. Abb 6.9 zeigt ein entsprechendes Beispiel für ein Fahrzeug mit 1,8-Liter-Ottomotor, Abb 6.10 für das gleiche Fahrzeug mit 1,7-Liter-Turbo-Dieselmotor.

246

6 Energieanwendung im Verkehr (Transportwesen)

Motormoment in Nm

kW

kW

90

26469A05 26469A05 19.12.2005 19.12.2005

kW

an G V.

g

34 %

η Mot

100

kW

ent om x. M a M

80

70

60

kW

120

50

kW 20

W 10 k

140

kW 30

160

kW 40

180

= 33 %

32 % 31 %

80

30 %

I V.

28 %

60

ng Ga

25 % ang III. G

40

20 %

15 %

20

II. Gang 10 %

I. Gang

0 0

1000

Min

2000

3000

4000

5000

6000

Motordrehzahl in min-1

Max

Abb. 6.9. Motorkennfeld und Fahrwiderstände eines PKW mit Ottomotor

Die Nenndrehzahl ist die zur Nennleistungsabgabe gehörige Drehzahl, bei der eine sichere Motorschmierung und Motorkühlung gewährleistet sein muss.

Motordrehzahl in min-1

Abb. 6.10. Motorkennfeld und Fahrwiderstände eines PKW mit Dieselmotor

6.3 Technik der Antriebe

247

Die Mindestdrehzahl für ruckfreien Motorlauf liegt meist bei etwa 600 bis 700 min!1. Zur Verbesserung der strömungsabhängigen Gemischbildung wird die Leerlaufdrehzahl bei modernen Einspritzmotoren meist auf einen etwas höheren Wert geregelt. Der Dieselmotor ist generell für geringere Drehzahlen ausgelegt. Das liegt zum einen an der schwereren Bauweise, zum anderen an der trägeren Verbrennungscharakteristik eines Motors mit Selbstzündung. Das maximale Motormoment ist abhängig von der Drehzahl. Beim Ottomotor ist dieser Verlauf wesentlich flacher als beim Dieselmotor, bei dem dafür mit sinkender Drehzahl die zur Verfügung stehende Leistung deutlich weniger zurückgeht. Dies ist das Kennzeichen einer als „elastisch“ empfundenen Motorcharakteristik. Die Linien gleichen Motorwirkungsgrades weisen mit 34 bzw. 35 % fast gleiche Werte für den Bestwirkungsgrad aus. Berücksichtigt man, dass der Dieselmotor für eine geringere Leistung ausgelegt ist, so liegt das Wirkungsgrad-Optimum in demselben Teillastbereich, nämlich etwas über der Hälfte der Nennlast. Ebenfalls eingetragen sind die Linien des Widerstandsmomentes des betreffenden Pkw bei stationärer Fahrt in den Gängen I bis V. Unter Berücksichtigung der immer wieder erforderlichen Beschleunigungsphasen kommen im durchschnittlichen Verkehrsgeschehen Betriebszustände in einem Leistungsbereich zwischen 10 und 20 kW besonders häufig vor. Infolge der unterschiedlichen Auslegungen des Antriebsstranges liegt dabei der bevorzugte Drehzahlbereich beim Dieselfahrzeug niedriger (etwa zwischen 2.000 und 3.000 min!1) als beim Fahrzeug mit Ottomotor (etwa zwischen 3.000 und 4.000 min!1). In diesem Betriebsbereich reichen die Wirkungsgrade des Dieselantriebs von etwa 22% bis gut über 30%, während im Falle des Ottomotors lediglich Wirkungsgrade von unter 20% bis maximal 28% erreichbar sind. 6.3.1.2 Unkonventionelle Kraftstoffe

Ottomotor mit Erdgasantrieb CNG (Compressed Natural Gas) Weltweit werden heute mehrere Millionen. CNG-Fahrzeuge betrieben. Das gasförmige Erdgas wird dabei in Druckflaschen mitgeführt. Wegen seiner relativ geringen Energiedichte ergeben sich bei Tankdrücken von ca. 300 bar Reichweiten von knapp unter 300 km. Bei der Betankung unterscheidet man zwei Varianten:

248

6 Energieanwendung im Verkehr (Transportwesen)

• Slow-Fill, das mit einem kleinen Kompressor arbeitet und bis zu 6 Stunden braucht, sowie • Fast-Fill, das durch eine Vorkomprimierung auf 200 bar wesentlich schneller ist. Derzeit werden Fahrzeuge mit Benzinmotor meist nachträglich für den Kraftstoff Erdgas um- bzw. nachgerüstet, wobei zusätzlich zu dem bereits bestehenden Kraftstoffsystem für Benzin ein weiteres für Erdgas installiert wird. Die Komponenten des Umrüstsatzes sind im Wesentlichen eine Druckflasche, der Druckminderer, Einspritzdüsen und die Regelelektronik. Man spricht dann von einem Fahrzeug im bivalenten Betrieb (s. Abb 6.11). Die Umrüstung eines Dieselfahrzeuges auf Erdgasbetrieb ist im Vergleich wesentlich aufwendiger. Benzintank (ca. 12 kg) Inhalt ca. 80 l Reichweite ca. 650 km

Förderpumpe ca. 3 bar Absperrventil

Einspritzdüsen

Für Ergasbetrieb nachgerüstete Komponenten

Druckflasche (ca. 83 kg) 80 l, 200 bar (16...20 Nm³) Reichweite ca. 150 km

2-stufiger Druckminderer 200 bar / 7 bar / 1 bar

Druck

r h fu u z in z n e B

Lambdasonde

u /zf u a n e b a rg o v tr e w ll o S

Regelelektronik

Auspuff

Gasverteiler und Einspritzdüsen g n l u ts h i a z le r h e to rD o M Luftzahl

Abb. 6.11. Kraftstoffsystem eines bivalenten Erdgasfahrzeuges

Heute für den Individualverkehr eingesetzte Erdgas-Fahrzeuge werden fast ausschließlich bivalent mit Ottomotoren betrieben, d. h. ein Umschalten zwischen Erdgas- und Benzinbe-trieb ist jederzeit möglich. Dadurch ist ihre Reichweite, die im reinen Gasbetrieb etwa 200 - 250 km beträgt, gegenüber konventionellen Fahrzeugen nicht eingeschränkt. Im Erdgasbetrieb ergibt sich dabei eine Leistungsminderung von rd. 10 % gegenüber dem Benzinbetrieb und auch der Energieverbrauch liegt um wenige Prozentpunkte höher (Abb 6.12). Durch einen für den Einsatz von Erdgas optimierten Motor können diese Werte jedoch erheblich verbessert werden, dann jedoch momentan noch mit einer Einschränkung der Reichweite durch monovalenten Betrieb.

6.3 Technik der Antriebe

249

60 4. Gang auf dem Rollenprüfstand

kW 50

Radleistung im Benzinbetrieb

Leistung

40 30 Radleistung im Erdgasbetrieb

20 10

Fahrwiderstandsleistung zur Überwindung von Rollreibungs- u. Luftwiderstand

0 40

60

80

100

Geschwindigkeit

120

km/h 140

Abb. 6.12. Bibalentes Erdgasfahrzeug VW Caravelle T4: Maximale Radleistung und Fahrwiderstandsleistung

LNG (Liquified Natural Gas) Die flüssige Form von Erdgas (LNG) hat den Vorteil einer großen Energiedichte und Reichweite. Diesem Vorteil steht allerdings ein erhöhter Energieaufwand bei der Bereitstellung entgegen. LNG wird daher kaum angewandt. LPG (Liquified Petrolium Gas) Die weltweite Zahl von mit LPG (auch unter den Namen Flüssiggas oder Autogas bekannt) betriebenen Pkw liegt bei ca. 9 Mio., davon 3,5 Mio. in Europa. Demnach ist Autogas momentan der führende Alternativ-Kraftstoff auf dem Pkw-Sektor, gefolgt von Erdgas. Flüssiggas ist ein flexibel einsetzbarer Energieträger, der bei der Erdgasund Erdölförderung sowie bei der Verarbeitung von Rohöl gewonnen wird. Rund 60 % des heutigen Flüssiggasabsatzes in der EU stammt aus Öl- und Gasfeldern und wird dort direkt gewonnen, die restlichen 40 % stammen größtenteils aus der Erdölverarbeitung in Raffinerien als Koppelprodukt. Diese unterschiedlichen Bereitstellungspfade für Flüssiggas bieten auch die Möglichkeit, veränderten Marktanforderungen kurzfristig Rechnung zu tragen. Während ein CNG-Tank (Druckgasflaschen mit Betriebsdrücken von über 200 bar) in der Regel eine zylindrische Form aufweisen, gestattet der Flüssiggastank durch den geringeren Betriebsdruck von etwa 8 bar eine relativ individuelle Formgebung sowie eine schnelle Betankung. Die Reichweite pro Liter Tankvolumen liegt bei LPG knapp 30 % unter Benzin und damit weit höher als die von CNG. Diese Tatsache in Verbindung mit der relativ weit vorangeschrittenen und weiter zunehmenden Dichte des Tankstellennetzes für Autogas, führt zu einer hohen Alltagstauglichkeit von LPG-Systemen.

250

6 Energieanwendung im Verkehr (Transportwesen)

Das Potenzial, das der Kraftstoff Autogas ! bei entsprechenden finanziellen Anreizen ! bietet, zeigt die Häufigkeit von Autogastankstellen in anderen Teilen Europas. Gegenwärtig beläuft sich die Anzahl der europäischen Tankstellenstandorte, die Autogas anbieten, auf rund 11.300. Die meisten davon befinden sich in Italien, Polen, den Benelux-Ländern, England und Frankreich sowie der Türkei, also vorwiegend in EU-Mitgliedsstaaten wie auch in direkten Nachbarländern Deutschlands. Ottomotor mit Wasserstoff Moderne, für bleifreies Benzin ausgelegte Otto-Motoren sind nach entsprechender Umrüstung auch für Wasserstoff einsetzbar. Modifiziert werden müssen die Gemischbildungsanlage, das Zündsystem und die Ladungswechseleinrichtungen. Ein großer Vorteil des Wasserstoffantriebs besteht darin, dass bei der Umsetzung im Fahrzeugmotor keinerlei CO2-Emissionen auftreten, sondern nur Wasserdampf, der unbedenklich in den atmosphärischen Kreislauf zurückgeführt werden kann. Die Bildung von Stickoxiden als Reaktionsprodukte im Zylinderraum ist bei geeigneter Führung des Verbrennungsprozesses durch das Motormanagement wesentlich reduziert im Vergleich zur Verwendung herkömmlichen Vergaserkraftstoffes. Die Versorgung eines Fahrzeugs mit Wasserstoff kann entweder in der gasförmigen (GH2) oder in der flüssigen (LH2) Phase erfolgen. Diese beiden Konzepte unterscheiden sich wesentlich in den Techniken sowohl der Betankung als auch der Speicherung im Fahr-zeug. Gasförmiger Wasserstoff (GH2) Ein wesentliches Problem bei der Speicherung gasförmigen Wasserstoff ist die geringe volumetrische Energiedichte. Der volumenbezogene Heizwert von Wasserstoff liegt mit 3,3 kWh/m³ i.N. um 2/3 niedriger als bei Erdgas, wenn jeweils der gleiche Druck zugrunde gelegt wird. Die Entwicklung bei Wasserstoff-Druckspeichern geht von den bisher verwendeten Druckflaschen aus Stahl über Aluminium/GFK-Behälter hin zu leichteren Verbundwerkstoffbehältern. Die Tankinhalte reichen von 50 bis etwa 400 Liter, je nach Anwendungsfall sind meist mehrere Einzelbehälter zu einer Speicherbatterie zusammen geschaltet. So wurden beispielsweise die am Flughafen München eingesetzten wasserstoffbetriebenen Vorfeldbusse mit Druckspeichern ausgerüstet, die sich aus 15 auf dem Dach montierten Einzelbehältern mit je 172 Litern zusammensetzen. Mit verbesserten Materialien konnte auch der Betriebsdruck von mobilen Speichern von ursprünglich 200 bar auf 250 bar und bis zu Spitzenwerten von über 300 bar erhöht werden. Zukünftig werden Werte bis zu 700 bar

6.3 Technik der Antriebe

251

angestrebt. Mit optimierten Drucktanks aus Verbundwerkstoffen lassen sich derzeit maximale Speicherdichten von rund 2,7 kWh/kg bzw. 0,5 kWh/l realisieren (Schindler 1997). Der Aufbau einer GH2-Tankstelle ist vergleichbar mit dem von ErdgasTankstellen, allerdings ergeben sich Unterschiede in der technischen Ausführung aufgrund der unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften von Wasserstoff und Erdgas. Die Versorgung einer GH2-Tankstelle kann über H2-Transportfahrzeuge, über einen lokalen Erdgas- oder Biomassereformer oder eine Elektrolyseanlage vor Ort erfolgen, sofern nicht eine Leitungsanbindung an eine zentrale Wasserstofferzeugung sinnvoll möglich ist. Hauptkomponenten einer GH2-Tankstelle sind der Verdichter, der Druckspeicher und die eigentliche Zapfsäule. Zusätzlich sind eventuell Filter- und Reinigungsanlagen zur Gaskonditionierung notwendig. Der Verdichter ist üblicherweise mehrstufig ausgeführt und muss aufgrund der geringen Dichte von Wasserstoff (0,089 kg/m³ i.N.) erhöhten Dichtigkeitsanforderungen genügen. Die Druckspeicher sind üblicherweise in mehreren Speicherbänken ausgeführt, so dass der Verdichter kontinuierlich in die Speicher einspeisen kann, während aus einer anderen Speicherbank GH2 entnommen wird. Die Kompression des Wasserstoffs erfolgt auf einen Druck von über 350 bar, damit der Wasserstoff zur Betankung der Fahrzeuge in deren Druckbehälter auf einen Druck von 250 bar entspannt werden kann. Der eigentliche Betankungsvorgang geht dann sehr rasch vor sich; so dauert die Befüllung des 2500-Liter-Druckspeichers eines Busses etwa 10 Minuten. Eine weitere Methode der Wasserstoffspeicherung besteht darin, Wasserstoff mit Hilfe von speziellen Metalllegierungen, die ein Hydrid bilden, chemisch zu speichern. Wenn der Wasserstoff unter dem dafür notwendigen Druck vorliegt, spalten sich die Wasserstoffmoleküle auf und die Atome können sich an Zwischengitterplätzen dieser Metallhydride einlagern. Diese Einlagerung ist ein Vorgang, bei dem Wärme frei wird, die abgeführt und eventuell gespeichert werden kann. Der umgekehrte Vorgang, das Entladen des Speichers, ist nur möglich, wenn der Speicher wieder erwärmt wird. Bei Zufuhr von Wärme zerfällt das Hydrid in seine ursprünglichen Komponenten Metall und Wasserstoff. Wesentlicher Nachteil dieser Speichertechnologie ist das hohe Gewicht der Speichermaterialien. Ein Vorteil von Hydridspeichern besteht darin, dass der Speichervorgang selbst nicht verlustbehaftet ist. Energetische Aufwendungen fallen nur für die Temperierung an, wenn zum Entladen Wärme zuzuführen ist. Diese Verluste lassen sich reduzieren, wenn die beim Laden anfallenden Wärme zwischengespeichert oder Verlustwärme (beispielsweise Motorabwärme) zum Entladen des Speichers genutzt wird.

252

6 Energieanwendung im Verkehr (Transportwesen)

Seit den 80er Jahren werden Hydridspeicher für den Fahrzeugeinsatz entwickelt, deren Fahrzeugtauglichkeit grundsätzlich nachgewiesen ist. Aufgrund der geringen massenbezogenen Speicherdichte werden die Chancen von Metallhydridspeichern für den mobilen Einsatz ! abgesehen von Nischenanwendungen, z.B. für Gabelstapler ! derzeit eher als gering angesehen. Ein sehr weites Einsatzgebiet für diese Speichertechnologie könnte sich jedoch bei Informations- und Kommunikationsgeräten ergeben, da bei Kombination mit einer Brennstoffzelle deutlich längere Betriebsdauern als mit herkömmlichen Batteriespeichern erreicht werden können. Eine noch nicht ausreichend erforschte Technologie ist die Verwendung von Nanostrukturen aus Graphit zur Speicherung von Wasserstoff. Nanofasern sind Materialien, die hergestellt werden, indem kohlenstoffhaltige Gase zur Reaktion mit metallischen Oberflächen gebracht werden. Dabei entstehen geometrische Strukturen etwa in Röhren- oder Plattenform, die sich durch ihre gleichartige Schichtstruktur mit Abständen im Nanometerbereich auszeichnen. Werden diese Materialien unter bestimmten Druck- und Temperaturbedingungen in Verbindung mit Wasserstoff gebracht, so kann eine reversible Einspeicherung von gasförmigem Wasserstoff beobachtet werden. Sobald die Wasserstoffmoleküle in die Struktur aufgenommen werden, finden starke Wechselwirkungen mit den Graphitwänden und anderen Nachbarmolekülen statt, die zu Phasenübergängen und Kapillareffekten führen, wie sie mit den Methoden der klassischen Thermodynamik nicht befriedigend erklärt werden können. Es wird angenommen, dass aufgrund dieser Prozesse Wasserstoff eine flüssigkeitsähnliche Charakteristik annimmt, die eine sehr hohe Konzentration erlaubt, womit sich die hohe Speicherdichte von Nanostrukturen erklärt. Die Ein- und Ausspeicherung des Wasserstoffs ergibt sich aus den vorliegenden Druck- und Temperaturbedingungen, wobei je nach verwendeten Materialien sehr große Bandbreiten der erforderlichen Werte auftreten können. Viele Forschungsarbeiten beschäftigen sich mit der Suche nach geeigneten Metallen und Legierungen, auch finden seit den 90er Jahren Versuche mit verschiedenen geometrischen Anordnungen der Strukturen statt (Rodriguez 1998). Ziel ist dabei eine hohe Speicherdichte unter Druck- und Temperaturverhältnissen, die nahe an den üblichen Umgebungsbedingungen liegen (Liu et al. 1999). Diese Technologie befindet sich noch im Bereich der Grundlagenforschung. Heute gelten Werte von etwa 5 % Masse Wasserstoff pro Masse Speichermedium als gesichert, es werden Zielwerte von bis zu 20% genannt. Flüssigwasserstoff (LH2) Flüssigwasserstoff hat mit rd. 2,4 kWh/l zwar einen niedrigeren volumenbezogenen Heizwert als flüssiges Erdgas (5,8 kWh/l) oder Vergaserkraftstoff (8,5 kWh/l), die gravimetrische Energiedich-

6.3 Technik der Antriebe

253

te liegt mit etwa 33 kWh/kg jedoch um den Faktor 3 über konventionellen Kraftstoffen. Dieser Vorteil kommt besonders bei Speicherung in flüssiger Phase (d.h. bei gleichzeitig hoher volumetrischer Energiedichte) zum Tragen und ist bei mobilen Anwendungen in Fahrzeugen, vielleicht eines Tages auch in Flugzeugen, von Bedeutung. LH2 verdampft unter atmosphärischem Druck bei einer Temperatur von rd. ! 253°C. Daher stellt die Handhabung von flüssigem Wasserstoff sowohl beim Betanken als auch bei der Speicherung hohe Anforderungen an Sicherheit und Isolationstechnik von Rohrleitungen und Behältern. Die Hauptkomponenten einer LH2-Tankstelle sind, analog zu konventioneller Technik, der LH2-Speicher, die Zapfsäule sowie die erforderlichen Armaturen und Leitungen. Alle Komponenten einer LH2-Tankstelle sind mit einer besonderen Wärmeisolierung versehen. Das Umfüllen des flüssigen Wasserstoffs vom Speicher in den Fahrzeugtank kann entweder durch Pumpen erfolgen oder durch die Nutzung eines Druckgefälles zwischen Tankstellenspeicher und Fahrzeugtank. Das anfänglich aufgetretene Problem hoher H2-Verluste (Boil-Off) rührte daher, dass es während des Betankungsvorgangs beim Vorkühlen der Leitungen und der Tankkupplung zur Verdampfung von Wasserstoff kam, der dann über eine Rückleitung aus dem Fahrzeugtank an die Umgebung abgeblasen wurde. Bei Tankstellen nach dem Stand der Technik 1999 wird das LH2 vor der Befüllung auf so tiefe Temperatur gebracht, dass es kälter ist als der LH2-Inhalt des Fahrzeugtanks. Durch das Einsprühen des Wasserstoffs in die Gasphase des Fahrzeugtanks wird ein Verdampfen vermieden, vielmehr kommt es infolge der Abkühlung eher zu einer Kondensation von Teilen der Gasphase. Zur Verflüssigung muss der Wasserstoff auf mindestens !253 °C abgekühlt werden. Hierbei wird das zu verflüssigende Gas in mehreren Stufen z.B. mit flüssigem Stickstoff bis auf etwa 80 K (etwa !190 °C) vorgekühlt. Anschließend wird die Temperatur über den Joule-Thomson-Effekt mittels Drosselung weiter reduziert. Die Abkühlung bis zur Verflüssigungstemperatur erfolgt in mehreren Stufen durch abwechselnde Verdichtung und Drosselung. Bei der letzten Entspannung auf Verflüssigungstemperatur wird nur ein Teil des Gasstromes flüssig. Das Restgas wird zur Kühlung einer vorgelagerten Stufe verwendet und anschließend wieder komprimiert. Die Verflüssigung von Wasserstoff erfordert einen sehr hohen Energieaufwand. Üblicherweise wird mit einem Stromverbrauch von rd. 10 kWh je kg LH2 gerechnet, das entspricht etwa einem Drittel des Heizwertes des Wasserstoffs. Die Herstellung von Wasserstoff kann aus fossilen oder aus regenerativen Energieträgern erfolgen. Die Erzeugungsform spielt für die energetische

254

6 Energieanwendung im Verkehr (Transportwesen)

und ökologische Bewertung die entscheidende Rolle. Heute wird Wasserstoff überwiegend aus Erdgas-Dampfreformierung oder die partielle Oxidation von Erdöl erzeugt, grundsätzlich wäre auch der Weg über die Kohlevergasung denkbar. Langfristig sind jedoch Wege auf Basis erneuerbarer Energien oder ggf. der ebenfalls CO2-freien Kernenergie erforderlich; diskutiert wird der Einsatz von Windenergie oder Wasserkraft für die elektrolytische Wasserzerlegung, oder die Vergasung von Biomasse zu einem wasserstoffreichen Gas. Abb 6.13 zeigt den kumulierten Energieaufwand (KEA) ausgewählter Prozessketten für die Wasserstoff-Bereitstellung aus verschiedenen konventionellen und erneuerbaren Primärenergien (FfE 2004). 6 kWh/kWhH2 5

Verteilung Ferntransport Verflüssigung

4

H2 -Erzeugung

KEA

Energieträger

1999 2025

3

2

1

R ef o

rm ie ru Er ng dg - L as H El S 2 ek tr tro om lys m e ix -L D P H El hot 2 ek ov tro olt ly aik se ( - L D) H El 2 ek tro Wi n ly d se kr - L aft H El W 2 ek a tro ss Pa e l ys rk H ra G bo e ra Ü lr - L ft - E in H 2 le ne kt (N ro - A E. P ly f l y ar se rik se ab - L a) - G olr H H inn 2 2- e Pi (N p Pa el -A in fri E. ra e ka lys bo -L ) e lri H - L nn 2 e H 2- ( N Sc -A hi fri ff ka -L ) H El 2 ek St t r o ro m ly m se i -G xD H 2

0

Abb. 6.13. KEA von Bereitstellungspfaden für mobile Anwendungen

Der energetische Nutzungsgrad der Erdgas-Dampfreformierung liegt bei optimistischen Annahmen unter 75 %. Damit ist aus Gründen der Ressourcenschonung ! wie auch aus Kostengründen ! der direkte Einsatz von Erdgas im Fahrzeug vorzuziehen. Ein anderes Bild ergibt sich für die Wasserstofferzeugung durch Elektrolyse mit Strom aus regenerativen Energiequellen (incl. für die Verflüssigung). Hier macht der Einsatz erschöpflicher Energie einen sehr kleinen Anteil aus, auch die CO2-Emissionsbilanz ist sehr günstig. Allerdings sind solche Konzepte mit Kosten verbunden, die erheblich über denjenigen einer konventionellen Kraftstoffversorgung liegen.

6.3 Technik der Antriebe

255

Biomasse-Kraftstoffe Der Wunsch nach Unabhängigkeit von fossilen Ressourcen ist einer der Hauptgründe für die Suche nach geeigneten biogenen Kraftstoffen. In Europa, insbesondere in Deutschland, setzt man dabei auf Kraftstoffe auf Ölsaatenbasis, vor allem auf Raps, aber auch auf Sonnenblumen oder importiertem Palmöl. Aus Rapssaat lässt sich in dezentralen Ölmühlen zu etwa 40 % Öl gewinnen, industrielle Anlagen erreichen Ausbeuten bis zu 50 %. Pflanzenöl Für die Verwendung von Rapsöl als Kraftstoff gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten: die direkte Verwendung des Pflanzenöls unter Anpassung der Dieselmotoren an den Kraftstoff oder die Anpassung des Rapsöls an konventionelle Dieselmotoren. Vorteile für die Verwendung von reinem Pflanzenöl als Kraftstoff sind seine einfache Herstellung, die relativ günstige Energiebilanz, sowie die dezentrale Gewinnung in landwirtschaftlichen Ölmühlen mit geschlossenen Stoffkreisläufen. Nach Anbau und Ernte fällt nur noch Pressung und Reinigung des Produktes an. Nachteilig sind die relativ aufwendigen und kostenintensiven Änderungen am Motor, die begrenzte Wintertauglichkeit des Kraftstoffes und die immer noch ausstehende Normung des Kraftstoffs. Trotzdem ist eine stetige Zunahme der direkten Ölnutzung erkennbar. Biodiesel Die Anpassung des Pflanzenöls an den Dieselmotor erfolgt durch einen Umesterungsprozess mit Methanol. Dabei entstehen Pflanzenölmethylester, der sogenannte Biodiesel und Glyzerin. Die Eigenschaften von Rapsölmethylester (RME) sind denen von Dieselkraftstoff sehr ähnlich. RME kann in allen Dieselmotoren ohne große Veränderung eingesetzt werden. Lediglich Kunststoffteile (Dichtungen und Schläuche) können von Biodiesel angegriffen werden und sollten deshalb durch entsprechend resistente Materialien ersetzt werden. Außerdem löst Biodiesel Rückstände im Tank, so dass nach einer Umstellung der Filter gewechselt werden muss. Im Übrigen lässt sich Biodiesel in beliebigem Verhältnis mit konventionellem Diesel mischen. Die europäische Kraftstoffnorm lässt maximal 5 Vol.% kennzeichnungsfrei zu. Energieinhalt und Heizwert von Biodiesel liegen nur geringfügig unter dem von Diesel. Der Kraftstoffverbrauch ist dadurch zwar leicht erhöht, es muss aber weder das Tankvolumen vergrößert werden noch ist die Reichweite pro Tankfüllung merklich reduziert. Im Vergleich zu Dieselkraftstoff sind Pflanzenöl und Biodiesel biologisch besser abbaubar. Sie eignen sich deshalb besonders für den Einsatz in sensiblen Umweltbereichen (Wasserschutzgebieten, Landwirtschaft und Schifffahrt). Ethanol Der Einsatz von Alkoholen als Kraftstoff für Verbrennungsmotoren

256

6 Energieanwendung im Verkehr (Transportwesen)

ist seit langem erprobt, aber erst die Erdölkrisen von 1973 und 1979 haben zur verstärkten Entwicklung von Alkoholkraftstoffen als Alternative zu Benzin und Diesel geführt. Der bedeutendste Alkohol ist dabei Ethanol, das aus zucker-, stärke-, oder zellulosehaltigen Pflanzen fermentativ gewonnen werden kann. Technisch ausgereift und in industriellem Maßstab eingesetzt werden physikalisch-biologische Verfahren zur Ethanolerzeugung aus Zuckerrohr (z. B. Brasilien) und aus Mais (z. B. USA). Weltweit werden die Produktionskapazitäten derzeit rasch ausgebaut, wobei ausschließlich Anlagen für Getreide bzw. Zuckerrohr gebaut werden. Die Verfahren zur Nutzung der wesentlich preiswerteren Lignocellulosen werden bislang noch kaum eingesetzt. Diese Verfahren sind aufgrund des vorgelagerten enzymatischen Aufschlusses und des Einsatzes von rekombinanten letalen Bakterien wesentlich anspruchsvoller und erst in Pilotanlagen erprobt. Die Anlagentechnik scheint jedoch zwischenzeitlich ausgereift, und erste Großanlagen werden bereits angeboten. Vorteil von Ethanol ist die positive Energie- und CO2-Bilanz, der hohe Flächenertrag, die Variabilität in den Rohstoffen, sowie die hohe Oktanzahl. Der Sauerstoffgehalt führt zudem zu einer deutlichen Reduktion der Emissionen. Nachteilig wirken sich motortechnisch der hohe Dampfdruck, die niedrige Energiedichte und das stark hygroskopische Verhalten aus. Ethanol wird deshalb bis zu 5 Vol.% entweder direkt oder als Ethyltertiärbutylether (ETBE) dem Vergaserkraftstoff zugemischt, oder in FFVs (Flexible Fuel Vehicles) in beliebigen Mischungsverhältnissen eingesetzt. Reine Ethanolfahrzeuge sind nur in Brasilien in größerer Stückzahl vertreten. Ethanol aus Lignocellulose weist eine besonders gute Energiebilanz und einen sehr hohen Flächenertrag auf, allerdings sind hier Fragen zur Verwendung von gentechnisch veränderten Mikroorganismen noch nicht abschließend geklärt. Methanol und Fischer-Tropsch-(FT-)Kraftstoffe Methanol (CH3OH) und höherwertige Fischer-Tropsch-Kraftstoffe können aus vielen Grundstoffen gewonnen werden, die teilweise langfristig verfügbar sind, wie z. B. Kohle, Biomasse, Erdgas oder auch Müll. Für die Bereitstellung aus Biomasse muss zunächst der Ausgangsstoff vergast werden, deshalb sind trockene Rohstoffe insbesondere Holz und aschearmes pelletiertes Stroh gut geeignet. Feuchte Biomasse muss vorgetrocknet werden. Nach Vergasung und aufwendigem Reinigungsverfahren folgt die Fischer-Tropsch-Synthese und gegebenenfalls weitere Aufbereitungsstufen bis zum FT-Diesel. Die Verfahren hierzu befinden sich im Entwicklungsstadium, derzeit werden erste Technikums- und Pilotanlagen gebaut.

6.3 Technik der Antriebe

257

Vorteil der FT-Kraftstoffe ist die Einsetzbarkeit als Dieselsubstitut, sowie die Schwefelfreiheit und die Beeinflussbarkeit der Zusammensetzung der Kohlenwasserstoffe. Nachteilig sind die begrenzte Rohstoffbasis, der Wasserstoffbedarf, sowie die im Vergleich zum direkten Einsatz von Holz zur Heizölsubstitution halbierte Ausbeute. Trotzdem ist die Energie- und CO2-Bilanz deutlich positiv. Sobald eine verbindliche Kraftstoffzusammensetzung festgelegt ist und gegebenenfalls genormt worden ist, steht zu erwarten, dass FT-Kraftstoffe sowohl als Zumischung zu Mineraldiesel als auch in Reinform genutzt werden können. Die Kosten belaufen sich nach ersten Schätzungen auf etwa 60 bis 80 ct je Liter, langfristig könnten etwa 50 ct je Liter erreicht werden. Der Markteintritt könnte in einem positiven Umfeld etwa um 2010 erfolgen. Methanol wird grundsätzlich nach dem gleichen Verfahrensprinzip produziert. Sein Einsatzbereich könnte die Zumischung zu Mineraldiesel oder die Verwendung in portablen Brennstoffzellengeräten sein. Momentan wird Methanol für chemische Prozesse meist noch aus Erdgas gewonnen. In Tabelle 6.1 sind einige wichtige Eigenschaften von Biokraftstoffen zusammenfassend dargestellt (FfE 2007). Tabelle 6.1. Erntefaktor Ertrag [m³/ha] Preis [ct/l] Rohstoff

Eigenschaften von Biokraftstoffen Pflanzenöl RME Ethanol

ETBE

Methanol/FT

400 %

270 %

200 ... 400 %

100 %

400 %?

1,2

1,3

3 ... 7

5 ... 10

2 ... 4

50 ... 60

80 ... 90

wie Benzin

Ölpflanzen Ölpflanzen

wie Benzin wie Diesel

alle

alle

trockene Biomasse

Anlagengröße [t/a]

100 ... 10.000

ca. 100.000

100.000 ... 500.000

??

Technikum

Reinkraftstoff

ja

ja

ja

nein

ja

Beimischung

nein

ja

ja

ja

ja

Rohstoffbasis Energiebilanz Anwendung, Flächenertrag

Oktanzahl, MTBEErsatz, Energiedichte

Flexibler Einsatz, schwefelfrei, konditionierbar

Vorteile

einfach, billig, dezentral, Energiebilanz

Nachteile

teure KFZ- teurer Umrüstung Kraftstoff

Energiebilanz, Anwendung

Energiedichte, teuer, hygroskopisch Energiebilanz

teuer, keine Erfahrung

258

6.3.2

6 Energieanwendung im Verkehr (Transportwesen)

Straßenfahrzeuge mit Elektromotor

Angesichts der ständig steigenden Immissionsbelastung der Ballungsräume gewinnen Elektroantriebe wieder an Bedeutung. Bereits vor hundert Jahren hat die Elektrotraktion die Anfänge des motorisierten Straßenverkehrs mit begründet, wurde aber bald von den, dem Bedürfnis nach höherer Fahrleistung und größerem Komfort besser gerecht werdenden, Verbrennungsmotoren verdrängt. Unter neuen technischen Voraussetzungen sind Elektroantriebe vor allem durch den Aspekt der lokalen Null-Emission wieder zur vieldiskutierten Alternative geworden. 6.3.2.1 Antriebsmaschinen37

Bis Ende der 80er Jahre wurden in Elektro-Straßenfahrzeugen überwiegend Gleichstrommaschinen (Reihen- und Nebenschluss) als Antriebsmotoren eingesetzt, da die Kosten von Gleichstromstellern erheblich unter denen von Wechselrichtern lagen. Durch den Fortschritt der Leistungselektronik, der in den letzten Jahren zu sehr leistungsfähigen und kostengünstigen Wechselrichtern geführt hat, ist der Einsatz von Asynchron- und Synchron-Drehfeldmaschinen in Elektro-Straßenfahrzeugen heute technisch und wirtschaftlich als Standard anzusehen. Drehfeldmaschinen sind bei gleicher Leistung im Allgemeinen wesentlich leichter und weisen auch einen höheren Wirkungsgrad auf als Gleichstrommaschinen. Die Regelung der Fahrgeschwindigkeit und des Drehmoments vom Anfahren bis zur Höchstgeschwindigkeit erfolgt durch eine verlustarme Spannungs- und Stromregelung, um die in der Batterie gespeicherte Energie optimal zu nutzen. Nutzbremsung im gesamten Geschwindigkeitsbereich ist heute üblich. Aufgrund ihrer günstigen Drehmoment-/Drehzahlcharakteristik und der kurzzeitigen Überlastbarkeit können elektrische Antriebe für den Einsatz im Straßenverkehr mit deutlich niedrigerer Nennleistung als Verbrennungsmotoren ausgelegt werden. Das maximale Drehmoment und ein hoher Nutzungsgrad sind über einen weiten Drehzahlbereich gegeben und gewährleisten ähnlich gute Beschleunigungswerte wie ein deutlich stärker motorisiertes Diesel- oder Ottomotor-Fahrzeug.

37

Nach (Burkner et al. 1992)

6.3 Technik der Antriebe

259

6.3.2.2 Batteriespeicher

Während der Elektromotor dem Verbrennungsmotor in vielerlei Hinsicht überlegen ist, hat die Batterie als Energiespeicher gegenüber dem Benzinoder Dieseltank gravierende Nachteile, wie geringere Energie- und Leistungsdichte, um ein Vielfaches längere Ladezeiten, höheres Gewicht, hohe Anschaffungskosten usw. Für diejenigen Batteriesysteme, die für Elektrofahrzeuge in Betracht kommen, ist in Abb 6.14 das sog. Ragone-Diagramm wiedergegeben. Es zeigt die entnehmbare Energie in Abhängigkeit von der Entnahmeleistung (jeweils bezogen auf das Batteriegewicht). 120 40270B03 40270B03

Li/Ion 2h

5h dauer:

80

1

h

Na/NiCl2 0,5

Entlad e

Spezifische Energie [Wh/kg]

100

60

h

Ni/MH 40

Pb 20

0 0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

Spezifische Leistung [W/kg]

Abb. 6.14. Gravimetrisches Ragone-Diagramm für Traktionsbatterien

International werden seit einigen Jahren verstärkte Anstrengungen bei der Weiter- bzw. Neuentwicklung von Batteriesystemen unternommen. Hauptziel sind höhere Energie- und Leistungsdichten, verbesserte Betriebstauglichkeit (Wartungsfreiheit, Verfügbarkeit, Lebensdauer, Ladezeit) und niedrigere Kosten, ein hoher energetischer Nutzungsgrad und die Umweltverträglichkeit bei Herstellung, Betrieb und Nutzung. Die Bleibatterie (Pb/PbO2) weist von den betrachteten Systemen den höchsten Entwicklungsstand auf. Seit einigen Jahren ist mit der Gel-Batterie eine Version der Blei-Batterie verfügbar, die im Gegensatz zu den üblichen mit wässrigem Elektrolyt wartungsfrei ist. Der Bereich der Betriebstemperatur liegt zwischen !10 und +60 °C, die Standverluste betragen nur 3 bis 15%

260

6 Energieanwendung im Verkehr (Transportwesen)

pro Monat. Allerdings hat sie die geringste Energiedichte, mit den Folgen geringer Reichweite und hohen Systemgewichts. Die Nickel-Cadmium-Batterie (Ni/Cd) mit alkalischem Elektrolyten hat einen fast ebenso hohen Entwicklungsstand wie die Bleibatterie. Die Energiedichte liegt etwas, die Leistungsdichte beträchtlich höher als bei der Bleibatterie. Aufgrund der Selbstentladung sind die Standverluste aber sehr hoch (20 bis 30% pro Monat). Von Nachteil in der Umweltdiskussion ist das hochtoxische Element Cadmium. Eine Weiterentwicklung der NiCd-Batterie stellen Nickel-Metallhydridspeicher (Ni/MH) dar, bei denen die negative Cadmium-Elektrode durch eine Metalloxid-Elektrode ersetzt wird, die Wasserstoff in Form von Hydriden speichert. Die erzielbaren Energiedichten liegen ca. 50% höher als bei Ni/Cd, bei vergleichbaren Leistungsdichten. Die Lithium-Ionen-Batterie befindet sich Traktionsanwendungen noch in einem frühen Entwicklungsstadium. Vielversprechend sind die hohen Werte von Energie- und Leistungsdichten mit Werten von bis zu 100 Wh/kg bzw. über 1000 W/kg. Entwicklungsbedarf besteht noch hinsichtlich der Anfälligkeit bei Überladung und der damit einhergehenden Sicherheitsprobleme, die eine Überwachung jeder Einzelzelle erforderlich machen. Die Natrium-Schwefel-Batterie (Na/S) und die Natrium-NickelchloridBatterie (Na/NiCl2) sind Hochtemperaturbatterien. Sie haben erheblich größere Energie- und Leistungsdichten als die o.g. Systeme. Da sie jedoch im üblichen Einsatz auf hoher Betriebstemperatur (ca. 300°C) gehalten werden müssen, ergeben sich beträchtliche thermische Verluste, die nur in der Betriebs- und Ladephase zum Teil durch ohmsche Verluste gedeckt werden. Weitere prinzipiell geeignete, wenn auch noch nicht in größerem Maßstab für Traktionsanwendungen erprobte Speichersysteme sind Metall-LuftBatterien, wie z.B. Zn/Luft, die den Vorteil aufweisen, nur die halbe Menge an Elektrodenmaterialien mitführen zu müssen, da der zweite Reaktand Luftsauerstoff ist. Die Energiedichten liegen entsprechend hoch, nämlich deutlich über 150 Wh/kg, bei allerdings geringen Leistungsdichten im Bereich von 50 W/kg. Die verbrauchten Zink-Platten erfordern beim Austausch ein aufwändiges Handling und müssen in zentralen Stationen zu Zink reduziert werden; der Nutzungsgrad für die Regenerierung beträgt kaum mehr als 50%. Zur Klasse der Redoxionen-Batterien zählt die ZnBr2-Batterie, die einen ähnlichen Aufbau wie eine Brennstoffzelle mit einer Zelleneinheit aufweist, die von externen Zn- bzw. Brom-Suspensionen versorgt wird. Der periphere

6.3 Technik der Antriebe

261

Aufwand ist entsprechend hoch, für mobile Anwendung ist die Verwendung von Brom wegen des Geruchs und der Toxizität problematisch. Die Energiedichte liegt bei rund 60 Wh/kg. Tabelle 6.2 zeigt die wesentlichen Kenndaten und Eigenschaften von Batteriesystemen zur elektrischen Traktion im Straßenverkehr. 6.3.2.3 Energieverbrauch

Abbildung 6.15 zeigt das Energieflussbild eines Elektrostraßenfahrzeugs für den Einsatz im Stadtverkehr. Im Vergleich zum Leistungsflussbild des Verbrennungsmotors kommen hier periphere Komponenten wie Steuerung, Antriebsbatterie und Bordladegerät als zusätzliche Energieverbraucher hinzu. Allerdings ist durch die elektrische Nutzbremsung im Gegensatz zum Verbrennungsmotor eine Energierückspeisung möglich. Der Endenergiebedarf eines Elektroautos lässt sich in einen von der Wegstrecke und einen von der Standzeit abhängigen Anteil aufgliedern. Der streckenabhängige Anteil wird von fahrzeugtechnischen Daten wie cW-Wert, Fahrzeugmasse, Antriebswirkungsgrad, Fahrweise, usw. bestimmt. Der standzeitabhängige Anteil ist abhängig von der Stillstandzeit zwischen zwei Fahrzyklen. Er resultiert im Wesentlichen aus den energetischen Aufwendungen zur Ladungserhaltung und Temperierung der Batterie. Durch diesen standzeitabhängigen Energieverbrauch sinkt der fahrstreckenbezogene Energiebedarf mit steigender Wegstrecke. Für Fahrzeuge mit Hochtemperaturbatterie liegt wegen deren hoher thermischer Verluste der standzeitabhängige Anteil deutlich über dem von Fahrzeugen mit Bleibatterien. Erst bei Wegstrecken oberhalb von 60 km nähern sich die Kurven einander an. 6.3.2.4 Hybridantriebe

Eine Variante des batteriebetriebenen Elektrofahrzeugs stellt das um eine Verbrennungskraftmaschine ergänzte Hybridfahrzeug dar. Es verbindet die Eigenschaften beider Systeme, nämlich • die hohe Energiedichte der flüssigen Kraftstoffe und • den emissionsfreien Betrieb des Elektroautos. Im Stadtverkehr bewegt sich das Fahrzeug abgasfrei und hat auf Langstrecken den nötigen Energievorrat und die entsprechende Leistung zur Verfügung. Nachteilig sind das höhere Leergewicht und der dadurch höhere spezifische Energieverbrauch, sowie höhere Anschaffungskosten, bedingt durch das duale Antriebskonzept.

2,0

30

60

10

V

Wh/kg

%/d

%

Vollzyklen Jahre

°C

Max. Energiedichte

Max. Leistungsdichte W/kg

h

Zellspannung

Min. Ladedauer

Selbstentladung

Zyklusnutzungsgrad

Lebensdauer

Betriebstemperatur

* bis zu max. 5 % Gesamtverlust

Heizung, Kühlung

Blei, Cadmium Kalilauge Na-Brand, Schwefel- Kalilauge Recycling Temperatur säure Recycling

Lüftung

290 ... 350

Umwelt- und Sicherheitsprobleme

Lüftung

! 20 ... + 50

bis 500 0,5 ... 2

65 ... 90

0 ... 20

4

100

100

2,0

Na/S

Temperierung

! 20 ... + 50

! 20 ... + 60

1000 ... 1500 >5

65 ... 85

2 ... 10

1

175

60

1,2

Ni/MH

Hilfsenergie nötig für

1000 ... 1500 10

65 ... 85

100 ... 600 10 ... 15

70 ... 90

2 ... 10

0,5

200

40

1,2

Ni/Cd

Kühlung Strippen

+ 7 ... 40

bis 1000 >3

50 ... 70

1*

4

60

60

1,5

Zn/Br2

Na-Brand, Brom, Temperatur Säure

Heizung, Kühlung

260 ... 370

500 ... 1000 >3

65 ... 85

0 ... 20

5

100

80

2,58

Na/NiCl2

Kalilauge

Luftzufuhr

! 20 ... + 95