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Industrieantriebe

Verbesserte Effizienz senkt CO2-Emissionen

12. Juni 2023, 10:00 Uhr | Von Maurice O’Brien

Verbraucher verlangen nach kohlenstoffärmeren Produkten und Dienstleistungen. Weltweit verschärfen Regierungen die Vorschriften zur Verringerung der CO2-Emissionen, um ihre Net-Zero-Treibhaus- gas-Emissionsziele zu erreichen. Also ist es Zeit, auch die industriellen CO2-Emissionen zu reduzieren.

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Auf dem Weg zu »Net Zero« ergeben sich für industrielle Fertigungsunternehmen zusätzliche Möglichkeiten, neue Technologien zu nutzen, um die kohlenstoffarme Fertigung zu beschleunigen. Zwei Schwerpunkte zur Beschleunigung der CO2-Reduzierung im Industriebereich sind dabei wesentlich:

➔ Verbesserung der Energieeffizienz durch den verstärkten Einsatz von Motorantrieben
➔ Der Einfluss der digitalen Transformation zur Steigerung der Fertigungseffizienz

Im Pariser Abkommen von 2015 wurde ein Plan zur Begrenzung der globalen Erwärmung auf 1,5 °C bis 2050 festgelegt. Das Erreichen dieses 1,5-°C-Ziels im Jahr 2050 erfordert eine Reduzierung der derzeitigen CO2-Emissionen um mehr als 80 Prozent. Der derzeitige Verlauf deutet auf eine globale Erwärmung von 1,9 bis 2,9 °C hin, was zu einem erheblichen Rückgang des globalen BIP führt, bis zu 33 Prozent der Weltbevölkerung vertreiben könnte und Billionen von Dollar an jährlichen katastrophenbedingten Verlusten verursachen würde.Die Erde hat sich bereits um 1,1 °C erwärmt, und nach Einschätzung von Experten wird die Erwärmung in den 2030er-Jahren wahrscheinlich 1,5 °C erreichen. Das Erreichen des 1,5-°C-Ziels ist eine große Herausforderung.

Dies erfordert eine Verlagerung der Investitionen weg von fossilen Brennstoffen und hin zu Energieeffizienz, erneuerbaren Energien und Kernenergie sowie Kohlenstoffabscheidung, -nutzung und -speicherung (CCUS). Bild 1 skizziert den Weg zum 1.5-°C-Ziel durch die Verringerung der CO2-Eissionen auf 6 Gt CO2, wie im World Energy Outlook 2019 [1] beschrieben. Diese Studie umfasst zwei Hauptabschnitte: das Szenario »Erklärte Strategien« und das Szenario »Nachhaltige Entwicklung«.

Das Szenario »Erklärte Strategien« berücksichtigt nur bestimmte politische Initiativen, die bereits angekündigt wurden. Das Szenario »Nachhaltige Entwicklung« beschreibt einen Weg, der es der Welt ermöglicht, die Ziele in den Bereichen Klima, Energiezugang und Luftqualität zu erreichen, und der vollständig mit dem Pariser Abkommen vereinbar ist. Gleichzeitig konzentriert sich dieses Szenario stark auf die Zuverlässigkeit und Bezahlbarkeit von Energie für eine wachsende Weltbevölkerung. Den größten Beitrag zur Reduzierung der CO2-Emissionen, der im Rahmen des Pariser Abkommens ermittelt wurde, ist mit 37 Prozent die Verbesserung der Effizienz [1]. Die globalen energiebezogenen CO2-Emissionen sind 2022 um 0,9 Prozent gestiegen und haben damit einen neuen Höchststand von über 36,8 Gt erreicht. Die Industrieemissionen sind 2022 um 1,7 Prozent auf 9,2 Gt gesunken. Da demnach 25 Prozent der CO2-Emissionen im Jahr 2022 auf die Industrie entfallen werden, ist die Beschleunigung der Investitionen in die Energieeffizienz in der Industrie ein entscheidender Faktor auf dem Weg zu Net- Zero-Emissionen im Jahr 2050.

Industriemotoren als Stellschraube

Im Jahr 2022 betrug die weltweite Elektrizitätsversorgung 28.642 Terawattstunden. Damit trug sie zu 13,6 Gt Kohlenstoffemissionen bei, was 36 Prozent der weltweiten CO2-Emissionen im Jahr 2022 entsprach [2]. Die Industrie nutzt 30 Prozent der weltweit erzeugten Energie, und innerhalb dieses Segments entfallen 69 Prozent des Energieverbrauchs auf Elektromotoren [3]. Mit rund 450 Mio. bereits installierten Motoren in der Industrie und circa 52 Mio. neu installierten Motoren im Jahr 2022 (aufgeteilt in Brownfield-Upgrades und Greenfield-Entwicklungen) reduzieren neue, effizientere Antriebssysteme den Stromverbrauch und die CO2-Emissionen erheblich. Motoren werden in allen industriellen Anwendungen eingesetzt, wie zum Beispiel zum Antrieb von Pumpen, Gebläsen, Druckluftsystemen, bei Materialtransport, in Verarbeitungssystemen und vielem mehr. Es wird geschätzt, dass, wenn alle eingesetzten motorgetriebenen Systeme mit maximaler Effizienz betrieben würden, die weltweite Stromnachfrage um zehn Prozent gesenkt und 2490 Mio. Tonnen CO2-Emissionen im Jahr 2030 [3] vermieden werden könnten (Bild 2).

Verbesserung der Energieeffizienz durch den verstärkten Einsatz von Motorantrieben

Die einfachsten und am wenigsten effizienten Antriebe basieren auf einem netzgekoppelten oder wechselstrombetriebenen 3-Phasen-Motor, der über ein Schaltgerät ein- und ausgeschaltet wird und über eine Schutzschaltung verfügt. Diese einfachen Antriebe laufen mit einer relativ festen Drehzahl, unabhängig von jeder Laständerung. Anpassungen der Ausgangsvariablen (z. B. des Durchflusses in Pumpen und Lüftern) werden mit mechanischen Steuerungen wie Drosseln, Klappen und Ventilen vorgenommen, während deutliche Geschwindigkeitsänderungen durch Getriebe realisiert werden. Schätzungen besagen, dass 70 bis 80 Prozent aller heute eingesetzten Motoren an das Stromnetz angeschlossen sind und von einem Wechselrichter oder einem drehzahlvariablen Antrieb (VSD) profitieren würden, um ihren Energieverbrauch zu senken.

Durch Hinzufügen eines Gleichrichters, eines Gleichstrombusses und einer dreiphasigen Wechselrichterstufe entsteht ein Inverter mit variabler Frequenz und Spannung, welche an den Motor angelegt werden und eine variable Drehzahlregelung ermöglichen. Dieser Inverter-gesteuerte Motor senkt den Energieverbrauch deutlich, da er mit der für die jeweilige Last und Anwendung optimalen Drehzahl läuft.

Anwendungsbeispiele sind Pumpen und Gebläse mit höherem Wirkungsgrad. Wenn ein vorhandener Pumpen-, Gebläse- oder Kompressormotor mit einem Wechselrichter ausgestattet wird, kann der Stromverbrauch typischerweise um zirka 25 Prozent gesenkt werden [4].

Bei leistungsstärkeren Motorsteuerungsanwendungen ermöglicht ein Antrieb mit variabler Drehzahl (VSD) eine genaue Drehmoment-, Geschwindigkeits- und Positionsregelung. Um dies zu erreichen, wird der grundlegende rückführungslose Umrichterantrieb um eine Strom- und Positionsmessung erweitert. Typische Beispiele für solche Anwendungen sind Förderanlagen, Wickel-, Druck- und Extrusionsmaschinen. Schätzungsweise 20 bis 30 Prozent aller in der Industrie eingesetzten Motoren sind umrichtergesteuert oder an einen VSD angeschlossen. Durch die Umstellung von netzgekoppelten Motoren auf umrichterbetriebene Motoren oder VSDs lassen sich der Energieverbrauch und die CO2-Emissionen der circa 450 Millionen Motoren, die in der Industrie eingesetzt werden, erheblich reduzieren.