TransformatorenWie Sie Kosten sparen & Effizienz gewinnen
Den passenden Transformator aus der Vielzahl von Angeboten zu finden, stellt für viele eine grosse Herausforderung dar.
Gesetzgebungen, technische Normen, elektrische und mechanische Anforderungen, Wünsche in Bezug auf das Design, Effizienz, Platzverhältnisse, Gewicht, etc. sind nur einige der vielen Überlegungen, die erforderlich sind, um die optimale Lösung zu finden. Da gilt es die richtige Priorisierung zu wählen und nicht am falschen Ort zu sparen. Soviel sei vorab bereits verraten: Wirtschaftlichkeit und Energieeffizienz schliessen sich auf keinen Fall aus.
In diesem Blogbeitrag erhalten Sie einen Einblick in die Produktegruppe der nachhaltigen Wickelgüter und die damit verbundenen sichtbaren Effekte.
Dalia Rico
PraktikantinTeilen
Was unter Nachhaltigkeit und Energieeffizienz verstanden wird
Nachhaltigkeit ist ein weit ausdehnbarer Begriff, welcher in verschiedenen Zusammenhängen Verwendung findet. Grundsätzlich ist damit ein Handlungsprinzip gemeint, welches die Ressourcen so nutzt, dass die Anforderungen eingehalten werden, die natürliche Regenerationsfähigkeit der beteiligten Systeme aber dennoch erhalten bleibt. Ein System kann also eine dauerhafte Nutzung aushalten, ohne Schaden zu nehmen. Wenn wir das nun auf unseren Themenbereich Transformatoren beziehen, ist damit die Ressource Energie gemeint.
Laut dem Bundesamt für Energie wird unter «Energieeffizient» die sparsamste und wirkungsvollste Nutzung von Energie verstanden. Es muss ein Verhältnis zwischen dem Produkt (Output) zur zugeführten Energie (Input) entstehen. Durch einen optimierten Prozess sollten die qualitativen und die quantitativen Verluste minimiert werden.
Warum die Effizienz eines Transformators wichtig ist
Die Effizienz bzw. der Wirkungsgrad ist einer der wichtigsten Eigenschaften eines Transformators. Denn je höher die Effizienz ist, desto weniger Verluste gibt es und der Transformator ist nachhaltiger. Heutige Transformatoren können eine Effizienz von 99% erreichen. Dieser Wirkungsgrad von mehr als 99% ist deshalb so wichtig, weil viele Transformatoren 24 Stunden und 7 Tage die Woche in Betrieb sind. Aufgrund der hohen Anzahl eingesetzter Transformatoren wird eine noch höhere Effizienz angestrebt, sodass die Installationen noch nachhaltiger und umweltfreundlicher werden.
Wie die Effizienz berechnet wird
Um die Effizienz berechnen zu können, muss als erstes die Leistung betrachtet werden. Im Idealfall ist die Ausgangsleistung gleich der Eingangsleistung, dann gäbe es eine verlustfreie Übertragung. Grundsätzliche lässt sich die Effizienz/Wirkungsgrad so berechnen:
Die Abweichung von 100% kommt dadurch zustande, dass die Ausgangsleistung immer niedriger als die Eingangsleistung Ist. Der niedrigere Wert bei der Ausgangsleistung lässt sich mit den Verlusten erklären, die während der Übertragung entstehen. Somit ist das Ziel einen Transformator zu konstruieren, der möglichst geringe Verluste aufweist. Die zwei Haupttypen von Verlusten sind die Wickelverluste und Kernverluste.
Verluste bei induktiven Komponenten
Unter einer Induktiven Komponente verstehen wir Transformatoren, Drosseln und Filter.
Bei allen induktiven Komponenten, einschliesslich der Transformatoren, treten Verluste in Form von thermischer Erwärmung auf. Diese Verluste schwächen die Effizienz der induktiven Wickelgüter. Trotz ihres hohen Wirkungsgrades bei neueren Transformatoren von teilweise bis zu 99% entsprechen die Verluste aller Transformatoren in Mittel- und Nordeuropa im Durchschnitt etwa 5.7%. Diese Energie muss nicht nur zusätzlich zur Verfügung gestellt werden, sondern kostet auch natürliche Ressourcen und bei der Produktion der Energie entsteht CO2 welches das Klima belastet.
Eine Möglichkeit Verluste zu reduzieren ist, geeignete Materialien zu verwenden, die zu weniger Verlusten führen. Beispielsweise kornorientiertes Blech beim Kern oder Flachkupfer mit kleinerem elektrischem Widerstand als Wickelmaterial. Diese Komponenten sind jedoch mit einem höheren finanziellen Aufwand bei der Anschaffung verknüpft. Somit steht man bei der Investitionsphase vor der Wahl: günstig und weniger effizient oder preisintensiver und effizienter. Hier ist wichtig zu beachten, dass die Investitionsphase nur ein Teil der Lebenszykluskosten eines Produktes darstellen. Es wird später noch genauer darauf eingegangen.
Zusammenhang von Verlusten bei induktiven Wickelgütern und CO2
Das CO2–Äquivalent beschreibt den Zusammenhang zwischen Verlusten (in Watt, W) und der tatsächlichen Menge an produziertem CO2 (in Kilogramm, kg) bei der Energiegewinnung. Folgende Beispielrechnung soll die Thematik weiter veranschaulichen. Gemäss IWR/ 2013 entsprechen in der Schweiz, Nord- und Westeuropa eine erzeugte Kilowattstunde Strom (1kWh) einer Kohlenstoffdioxidmenge von 590 Gramm.
Ein einzelnes eingestecktes Ladegerät verursacht ein jährliches CO2-Äquivalent von 19.64 kg. Durch die steigende Mobilität und Digitalisierung wird das CO2-Äquivalent pro Person immer grösser. Natürlich ist es wichtig, dass jeder bei sich selbst ein Augenmerk auf dieses Thema legt. Jedoch ist es noch zentraler, vor allem bei Maschinen und Fahrzeugen, die viel Strom benötigen, Energieeffizienz als Schwerpunkt zu setzen.
Einsatz von energieeffizienten Wickelgütern
Um einen Beitrag zum Klimaschutz zu leisten, ist es wichtig auf energieeffiziente Komponenten zu setzen. Damit leistet man jedoch nicht nur einen positiven Beitrag zum Thema Nachhaltigkeit, sondern kann auch die Lebenszykluskosten zu optimieren. Diese sind bei energieverbrauchsintensiven Gütern ein sehr wichtiger Aspekt, denn damit sparen Sie über die gesamte Lebensdauer erhebliche Kosten. Das ist auch bei den induktiven Wickelgütern, wie dem Transformator ein grosses Thema.
Durch verschiedene Punkte wie die Materialwahl, die Qualität der Berechnung oder die Genauigkeit der Herstellung kann der Wirkungsgrad eines Transformators beeinflusst werden. Allgemein ist bekannt, dass die induktiven Komponenten bereits über einen hohen Wirkungsgrad verfügen. Trotzdem gibt es immer noch Spielraum nach oben, welcher die Energieeffizienz eines Produktes positiv beeinflusst.
Wie die Verlustleistung den Wirkungsgrad bestimmt
Bei einem Transformator gibt es verschiedene Ursachen für Verlustleistungen. Diese können beim Kupfer, Eisen, usw. verursacht werden. Grundsätzlich gilt: Die Höhe der Verlustleistung in einem Transformator bestimmt dessen Wirkungsgrad. Und dieser bildet sich zwischen der Primär- (Eingangswicklung) und der Sekundärwicklung (Ausgangswicklung). Daraus lässt sich schlussfolgern, dass der resultierende Wirkungsgrad eines Transformators durch das Verhältnis zwischen der Eingangsleistung der Primärwicklung zur Ausgangsleistung der Sekundärwicklung beschrieben werden kann.
Rein rechnerisch weist ein Transformator im Idealfall eine Effizienz von 100% auf. In der Realität ist dies leider nicht möglich. Bei jedem Prozess in der Energie umgewandelt wird, geht ein kleiner Teil davon als Wärme verloren.
Ein Beispiel aus dem Alltag, um dies zu verdeutlichen. Wenn die Kaffeemaschine Energie braucht, um das Wasser zu wärmen, wird ein Teil der Wärme auch an die Umgebung abgegeben. Das heisst die gesamte Energie, die verwendet wurde, um das Wasser zu wärmen ist nicht nur in die Erwärmung des Wassers geflossen, sondern ein kleiner Teil hat die Umgebung aufgewärmt.
Nun da wir wissen das eine 100% Umwandlung der Energie nicht möglich ist, gilt es einen möglichst hohen Wirkungsgrad bei konstanter Spannung und Frequenz unter einer sehr hohen Leistung anzustreben.
Smart-E-Power® - Lösungsansatz für höchste Effizienz
Die Bächli AG setzt auf die Produktereihe Smart-E-Power®, welche für effiziente Wickelgüter steht. Diese Produkte zeichnen sich durch die geringsten möglichen Wirkungsverluste aus. Sie erreichen eine Effizienz von über 99% ab einer Bauleistung von 25 kVA für 50/60Hz-Transformatoren.
Damit reduzieren sich die Unterhaltskosten auf ein Minimum. Beim Einsatz eines Smart-E-Power®-Produkts können Sie sich zudem auf sehr geringe Geräuschentwicklungen verlassen. Mehr zu der Produktreihe Smart-E-Power kann im Blog «Effizienz gewinnen – CO2 einsparen» nachgelesen werden.
Lebenszykluskosten eines Transformators
Unter den Lebenszykluskosten verstehen wir alle anfallenden Kosten eines Gutes, welche über dessen gesamte Lebensdauer entstehen. Darin enthalten sind die Kosten der Planung, der Anschaffungspreis, die Instandsetzung, Betriebskosten sowie die Entsorgungsgebühren. Durch eine höhere Effizienz kann die Lebensdauer eines Gutes verlängert werden und somit resultiert eine Verringerung der Lebenszykluskosten.
Gehen wir wieder zu unserem Gut dem Transformator zurück. Hier können wir von einer Lebensdauer von weit über 30 Jahren ausgehen. Jedoch gilt es anzumerken, dass dieser Lebensendpunkt nicht durch den Transformator selbst verursacht wird, sondern durch die umliegenden Komponenten, welche eine kürzere Lebensdauer verzeichnen, jedoch zusammen kompatibel funktionieren müssen.
Im Allgemeinen haben Transformatoren eine zu erwartende Lebensdauer von 30 Jahren oder mehr. Bei erhöhter Energieeffizienz kann ihre Lebensdauer verlängert und die thermische Belastung der umliegenden Komponenten durch Transformatorverluste verringert werden.
Die Lebenszykluskosten eines Wickelguts sind deshalb ausgezeichnet. Bei besonders energieeffizienten Produkten kann sogar von einem zeitnahen Payback Effekt gesprochen werden. Ein positiver Nebeneffekt ist, dass nachhaltige Transformatoren auch die Lebensdauer der umliegenden Komponenten durch den schonenderen Gebrauch verlängern können.
Einen Vergleich zwischen Standard und nachhaltigen Transformatoren können Sie bei "Nachhaltige Produkte" lesen.
Dieser Transformatorenvergleich zeigt klar auf, dass sich die Investition in ein energieschonendes Produkt lohnt. Bei grösseren Leistungen wird die Differenz der Kosten noch viel grösser.
Zusammenfassend können wir sagen, dass nachhaltige Transformatoren uns nicht nur ermöglichen Kosten zu sparen und Effizienz zu gewinnen, sondern auch einen Beitrag zur Verbesserung der weltweiten Klimasituation zu leisten. Eine wichtige Verantwortung, die uns alle betrifft!