Energiesparmöglichkeiten bei Seilbahnen

Einleitung

Der grösste Anteil des Stromkonsums von Bergbahnunternehmen entfällt meistens auf die Seilbahnen. Die Aufgabe einer Seilbahn, den Transport von Personen über eine Höhendifferenz, beansprucht über eine Saison je nach Anlagenart, Betriebsführung und Auslastung nur 5 bis 30% des Stromkonsums des ganzen Betriebes.

Eine energieeffiziente Seilbahn hat folgende Eigenschaften:

1. Geringe Leistungsaufnahme im Leerlauf (20% der Nennleistung)
2. Reduktion der Transportgeschwindigkeit bei geringer Auslastung
3. Verwendung von energieeffizienten Komponenten (Energiesparmotoren …)
4. Nutzung der Abwärme für die Beheizung der Gebäude (Umrichterverluste)

Im Gegensatz zu Industrie - und Infrastrukturanlagen mit 2000 bis 8760 Betriebsstunden pro Jahr haben Bergbahnen mit reinem Winterbetrieb nur 1000 Betriebsstunden im Jahr. Die Wirt­schaftlichkeit von Energiesparmassnahmen ist dadurch geringer, da entsprechende Investi­tionen über eine kürzere Zeit amortisiert werden müssen. Zusätzlich muss das Transportangebot unmittelbar der Nachfrage angepasst werden, Puffermöglichkeiten und Reduktionen der Betriebszeit sind beschränkt.

Der Betreiber einer Seilbahn sollte die energierelevanten Parameter seiner Anlagen kennen, damit er sie energieeffizient betreiben kann.

Grundlagen

Die Leistung für den Transport rechnet sich aus dem Produkt Masse pro Zeit, Höhendifferenz und Erdbeschleunigung. Bei einem durchschnittlichen Personengewicht von 80 kg kann mit untenstehender Beziehung gerechnet werden:

Beispiel: Eine Seilbahn mit einer Kapazität von 2800 Personen pro Stunde benötigt über eine Höhendifferenz von 755 m eine Leistung von 460 kW. Wenn die gemessene Antriebsleistung 900 kW beträgt, dann hat die Bahn bei dieser vollen Belastung einen Wirkungsgrad von 51% (460 kW / 900 kW). Bei einer Transportleistung von 280 Personen pro Stunde und einer Leistungsaufnahme von 440 kW errechnet sich noch ein Wirkungsgrad von rund 10%.

Beispiel: Die oben beschriebene Seilbahn transportiert über die Wintersaison 600'000 Personen. Daraus errechnet sich eine Transportenergie rund 100'000 kWh. Bei einem Stromverbrauch von 520'000 kWh ergibt sich ein Wirkungsgrad von knapp 20%. Der Wirkungsgrad ist stark von der Auslastung abhängig, je besser die Auslastung, desto besser ist der Wirkungsgrad.

Energiefluss

100% Elektrische Leistungsaufnahme
- 5% Verluste in der Bahninfrastruktur (Trafo, Steuerung ...)
- 11% Verluste im Antriebssystem (Getriebe, Motor, Umrichter)
- 4% Windwiderstand bei über 5 m/s
- 40% Seil und Rollenreibung von 40%
= 40% Transportleistung

Energiefluss einer Umlaufbahn mit 65% Auslastung und voller Geschwindigkeit. Dieser Energiefluss ist dem von Skiliften (ohne Windwiderstand) und Pendelbahnen sehr ähnlich. (Quelle: Messungen Bergbahnen Lenzerheide 2010)

Kennzahlen

Leistungsaufnahme zu installierter Leistung bei maximaler Geschwindigkeit
66% bei Volllast Bergfahrt (Zielwert 100%)
33% bei Leerfahrt (Zielwert 20%)
0% bei Volllast Talfahrt (Zielwert -60%)

Energiesparmassnahmen

Abschalten: Reduktion der Betriebszeit auf das Minimum. Seilbahnen sollten nur laufen, wenn sie Arbeit haben. Das gilt auch für die Zusatzaggregate (Hydraulikpumpe, Lüfter, Kühler, Kompensationen ...). Am Wirksamsten sind Einrichtungen, welche bei automatisch starten und stoppen. Das Abschalten lohnt sich bei Pausen, die länger als die fünffache Hochlaufzeit dauern. 180 kW während 20 Minuten sind 60 kWh, welche 9 Franken kosten. Automatisierungen können oft mit geringem Verdrahtungsaufwand in der vorhandenen Maschinensteuerung realisiert werden.

Geschwindigkeit: Bei nicht ausgelasteten Seilbahnen dominieren die Reibungskräfte. Je langsamer die Bahn fährt, desto geringer ist die erforderliche Leistung. Nachteil: Längere Fahrzeit. Diese Massnahme ist nur bei Umlaufbahnen sinnvoll. Die Leistungseinsparung ist etwa halb so gross wie die prozentuale Geschwindigkeitsabsenkung. Beispiel: 20% langsamer ergibt 10% weniger Leistung.

Behängung: Anpassung der Einheiten an die zu erwartende Auslastung. Vorteil: Die Fahrzeit bleibt kurz. Reduktion der Reibung. Einsparung von 5% bis 10% der Leistung.

Garagierung: Keine besonderen Massnahmen. Die Geschwindigkeit ist energetisch unwichtig. Die erforderliche Energie ist die Reibungskraft mal einen Seilumlauf, die potenzielle Energie der aufgehängten Einheiten und die Antriebsverluste.

Antriebssystem: Als Hauptantriebe sind heute Asynchronmotoren mit hohem Wirkungsgrad (IE3) und Frequenzumrichter üblich. Gleichstromantriebe und vor allem Ward-Leonard Systeme sind veraltet. Für Seilbahnanlagen mit Talfahrten gibt es auch rückspeisefähige Frequenzumrichter. Vermehrt werden auch permanent erregte Synchronmotoren als Direktantriebe eingesetzt. Ein 250 kW Asynchronmotor mit 97% Wirkungsgrad spart gegenüber einem Gleichstrommotor mit 92% über 20 Jahre mit jährlich 1000 Betriebsstunden etwa 80'000 kWh Strom (12'000 Franken) und kostet etwa 25'000 Franken. Bei einem Antriebsschaden sollte ein Systemwechsel geprüft werden. Ein 4-stufiges Getriebe verheizt etwa 4% des Nenndrehmomentes als konstantes Reibmoment.

Transformator: Abschalten von Transformatoren ausserhalb der Betriebszeit. Für Kleinverbraucher Batteriepuffer und Photovoltaik.  Transformatoren haben im Leerlauf etwa 0,5 bis 3 kW Verluste.

Systemwahl: Direkte Elektroantriebe (Beispiel Schranken) sind energieeffizienter als Hydraulikantriebe. Bei der Beschaffung sind nicht nur die Investitionen, sondern auch die Betriebskosten zur berücksichtigen.

Regelung: Hilfseinrichtungen wie zum Beispiel Kühlventilatoren und Umwälzpumpen sollten temperaturgeregelt sein. Beleuchtungsanlagen können auch geregelt werden. Ein 3 kW Ventilator mit halber Drehzahl benötigt 2,5 kW weniger Leistung. Über 10'000 Betriebsstunden ergibt das eine Einsparung von 25'000 kWh (3750 Franken). Ein dazu erforderlicher Frequenzumrichter kostet 1000 Franken.

Heizung: Nutzung der Abwärme als Raumheizung. Regelung der Innentemperatur über die Heizleistung und nicht über eine Fensterlüftung. Automatisches Abschalten der Heizung (und Computeranlage) ausserhalb der Betriebszeit mit einer Schaltuhr oder über das Netzwerk. Als Abwärmequellen bieten sich die Leistungselektronik, die Kompensation, der Antriebsmotor und die Getriebekühler an. Eine 2 kW Heizung konsumiert über 10'000 Betriebsstunden 20'000 kWh (6000 Franken) Elektrizität. Wenn ein Frostschutz erforderlich ist, kann eine zweite Heizung dauernd auf 4 °C eingestellt werden.

Wartung: Eine seriöse Wartung (Schmierung, Filterreinigung …) ist die Grundlage eines zuverlässigen und energieeffizienten Betriebes. Schlecht laufende Lager und heisse Stellen im Schaltschrank können mit einer Wärmebildkamera erkannt werden.

Messung: Nebst dem Stromzähler für die Abrechnung können für Teilbereiche auch zusätzliche Zahler eingerichtet werden. Wenn möglich, sollte der Hauptzähler ins Überwachungs-Netzwerk eingebunden werden. Die Funktion von Einzelaggregaten wie Hydraulikpumpen kann auch mit Betriebsstundenzähler überprüft werden. Der Stromverbrauch sollte mit der Anzahl Fahrten während der Periode verglichen werden. Zähler welche nicht abgelesen oder ausgewertet werden, sind überflüssig. Ausgemusterte Stromzähler kosten weniger als 100 Franken und sind für die Kontrolle des Energieverbrauchs noch genügend genau.

Leistungsspitze: In der Hauptsaison führen Massnahmen zur Reduktion der Leistungsspitze bei den Seilbahnen zu einer fühlbaren Einschränkung der Transportleistung. In der Nebensaison bestehen bessere Möglichkeiten, vor allem unter Beachtung der monatlichen Abrechnung. Ausserhalb der Saison kann der Zeitpunkt von Versuchen mit dem Elektrizitätswerk optimiert werden. Die Leistungsspitze ist der maximale Energiekonsum während einer Viertelstunde über eine Abrechnungsperiode von einem Monat. Das Elektrizitätswerk muss die Spitzenleistung einkaufen. Die Elektrizität ist meistens zwischen 10 und 12 Uhr am teuersten.