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Energieeffizienz an stationären Hydraulikanlagen

Reduzierung der Betriebskosten durch Retrofit

Die Energiepolitik in Deutschland und weltweit hat in den letzten Jahrzehnten immer mehr an Bedeutung gewonnen. Mit der deutschen Energiewende wird u. a. das Ziel verfolgt, den Ausstoß von Kohlenstoffdioxid zu reduzieren. Ein wichtiger Lösungsansatz ist hierbei die Verringerung der Energienachfrage durch eine Steigerung der Energieeffizienz. Dass die Effizienzsteigerung im Sektor Industrie einen großen Einfluss auf den Energieverbrauch in Deutschland hat, zeigt die Strukturanalyse in Abbildung 1. Demnach beträgt der Anteil des Sektors Industrie ca. 30 % des gesamten Endenergieverbrauchs von Deutschland im Jahr 2017.
Neben dem Nutzen für den Klimaschutz und die Gesellschaft kommt der Steigerung der Energieeffizienz eine weitere Bedeutung für Betreiber von Hydraulikanlagen zu. Die Effizienzsteigerung von Hydraulikanlagen kann zum einen bei gleichbleibender Leistungsaufnahme die Produktivität erhöhen. Zum anderen kann eine Steigerung der Energieeffizienz zu einer geringeren Leistungsaufnahme führen. Dadurch ist eine Reduzierung des Stromverbrauchs und somit der Betriebskosten möglich.
Vor allem in der Stationärhydraulik spielen bei der Beschaffung von Anlagen die Betriebskosten oftmals keine oder nur eine untergeordnete Rolle. Viel offensichtlicher für den Anlagenbetreiber sind die Anschaffungskosten – vergleichbar und direkt. Diese Philosophie ist für den Betreiber einer Hydraulikanlage auf Dauer nicht wirtschaftlich. Für eine Investitionsentscheidung sollten daher die Gesamtkosten des Betriebs (Total Cost of Ownership, TCO) analysiert werden. Bei der Untersuchung der TCO für ein Pumpensystem können beispielsweise die Energiekosten bis zu 80 % der Gesamtkosten betragen (vgl. Abbildung 2). Die Anschaffungskosten haben in diesem Beispiel nur einen Anteil von 10 % an den Gesamtkosten.

Abb. 1: Struktur des Energieverbrauchs nach Sektoren. Quelle: Auswertungstabellen zur Energiebilanz Deutschland, Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen e. V., Juli 2018

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Abb. 2: Gesamtkosten für ein Pumpensystem. Quelle: Bewertung der wirtschaftlichen Potenziale von energieeffizienten Anlagen und Maschinen, Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI, November 2012

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Bedingt durch den fehlenden TCO-Ansatz auf der Betreiberseite ist das primäre Ziel der Aggregatehersteller, Hydraulikanlagen mit einem günstigen Anschaffungspreis anzubieten. Zwar werden mit diesen Anlagen die Betreiberanforderungen hinsichtlich Funktion erfüllt, jedoch entpuppen sie sich bei einer genaueren Systemanalyse als wahre Stromfresser. In der Regel sind keine separaten Leistungsmessgeräte pro Hydraulikaggregat installiert. Dadurch gestaltet sich die Ermittlung der Energieeffizienz eines einzelnen Aggregates beim gleichzeitigen Betrieb von mehreren elektrischen Verbrauchern bzw. Hydraulikanlagen schwierig. Dennoch kann der Anlagenbetreiber durch einfache Tests überprüfen, ob die Hydraulikanlage Potenzial für eine Steigerung der Energieeffizienz hat:
  • Ist die Öltemperatur im Tank oft höher als 60 °C? 
  • Sind bestimmte Ventile in der Hydraulikanlage deutlich heißer als andere? 
  • Werden oft negative/ziehende Lasten (Lastrichtung wirkt in Bewegungsrichtung) bewegt?  
  • Sind Stromventile (Drosseln, Stromregelventile, Proportionalventile) verbaut?  
  • Werden mehrere Verbraucher gleichzeitig von einer Pumpe versorgt? 
Ist die Antwort bei einer oder mehreren Fragen „ja“, kann sich eine Systemanalyse lohnen. Nicht selten kann eine Überdimensionierung von Volumenstrom oder Druck – im ungünstigsten Fall von beidem – festgestellt werden. Ein Beispiel einer Überdimensionierung ist die Auswahl einer größeren Pumpe, deren maximaler Volumenstrom jedoch nicht benötigt wird. Für eine Verstellpumpe bedeutet das einen Betrieb mit reduziertem Schwenkwinkel. Gemäß Abbildung 3 ergibt sich ein Pumpen-Gesamtwirkungsgrad von 85 % erst bei einem Schwenkwinkel zwischen 60 und 70 %. Fällt der Schwenkwinkel unter 20 %, ist der Gesamtwirkungsgrad geringer als 50 %, sodass die Verlustleistung größer als die hydraulische Wirkleistung ist. Ein weiteres Beispiel ist ein Konstantstromsystem mit einer bedarfsgerechten Volumenstromreduzierung durch eine Drosselung. Der überschüssige Volumenstrom wird mit einem Druckbegrenzungsventil zum Tank entlastet. Die für die Entlastung aufgebrachte Leistung wird zu 100 % in Verlustleistung umgewandelt. In aller Regel führt der Austausch eines einzelnen Ventils nicht zu einer Steigerung der Energieeffizienz. Stattdessen muss das Hydrauliksystem komplett überarbeitet werden. 

Abb. 3: Wirkungsgrad-Schwenkwinkel-Diagramm. Quelle: Internationale Hydraulik Akademie GmbH

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Abb. 4: Analyse der Energieeffizienz. Quelle: Internationale Hydraulik Akademie GmbH 

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Ein Beispiel für die Analyse der Energieeffizienz bietet die Hydraulikanlage eines Testlabors der Firma Bertrandt Ingenieurbüro GmbH München. Das zentrale Hydraulikaggregat hat eine Anschlussleistung von ca. 130 kW. Eine Verstellpumpe versorgt mehrere Prüfplätze mit einem konstanten Druck von ca. 260 bar. Der Volumenstrom ergibt sich in Abhängigkeit der ausgewählten Prüfplätze und -programme. Die Prüfplätze bestehen jeweils aus Verteilerblöcken mit nachgeschalteten Servozylindern. Beim Betrieb dieser Prüfplätze ist zu sehen, dass bei einem Systemdruck von ca. 260 bar und einem Volumenstrombedarf von ca. 90 l/min die hydraulische Leistung 37 kW beträgt (vgl. Abbildung 4). Weiterhin wurde der minimale Systemdruck durch eine manuelle Anpassung eines Vorsteuerventils ermittelt. Die Prüfplätze konnten auch noch mit einem Systemdruck von 150 bar problemlos betrieben werden. Durch die Reduzierung des Systemdrucks konnte die hydraulische Leistung auf 22 kW reduziert werden. Daraus ergibt sich eine Steigerung der Energieeffizienz um 40 %. Die eingesparte Energie beträgt für diesen Betriebspunkt im Teillastbereich 120.000 kWh pro Jahr. Da bei der Analyse nicht alle Prüfplätze betrieben wurden, ist das Einsparpotenzial noch deutlich größer. Neben der Energieeinsparung verringern sich zusätzlich die thermische Belastung des Öls sowie die Druckbelastung aller Komponenten im System.
Die Internationale Hydraulik Akademie GmbH (IHA) berät Sie gern zu Fragen rund um die Energieeffizienz Ihrer Hydraulikanlagen. Die Beratung beinhaltet eine individuelle Systemanalyse sowie die Erarbeitung von Lösungsvorschlägen für ein Retrofit. Kosten für diese Maßnahmen zur Energieeinsparung und Reduzierung der Kohlendioxidemissionen werden vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie mit bis zu 40 % bezuschusst (siehe KfW-Kredit 295 Modul 4, energiebezogene Optimierung von Anlagen und Prozessen).
  • Robert Becker

    Prüfingenieur und Trainer Fluidtechnik

    Internationale Hydraulik Akademie (IHA)

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