Mehr Kabel kostet weniger
Energieeffizienz von Kabel- und Leitungsanlagen – Teil 1
Bislang lasen sich Anweisungen, Normen, TAB sowie andere Bestimmungen und Anleitungen so, als stünde dort als Auswahl-Kriterium: „Wie heiß muss meine Leitung mindestens werden?“ Fortan jedoch sollte eine Leitung nicht mehr als „am besten ausgenutzt“ gelten, wenn sie ihre höchstzulässige Temperatur auch wirklich erreicht.
Durch die Erhöhung des Querschnitts lässt sich über die geringeren Verluste Energie und damit richtiges Geld sparen. Das soll nachfolgend detailliert und nachvollziehbar als Anregung für die Praxis dargelegt werden.
Wie inzwischen schon mehrfach berichtet, beschäftigen sich elektrotechnische Normen neuerdings nicht mehr nur mit Fragen der Sicherheit und Funktionalität (EMV), sondern betrachten auch die Energieeffizienz – und damit die Lebensdauerkosten – elektrischer Anlagen und Betriebsmittel.
So kosten 50 m Kabel NYY 5 x 4 mm2 etwa 95 € [1]. In Verlegeart B2 nach VDE 0298-4 [2] kann dieses Kabel, wenn dreiadrig belastet, einen Betriebsstrom von 27 A tragen. Die Stromwärme-Verlustleistung beträgt hierbei 678 W. Bei einem Strompreis von 23 ct/kWh haben die Verlustkosten nach 611 h die Höhe des Kabelpreises erreicht.
Das Kabel ist also schon nach einem Monat ein zweites Mal bezahlt worden und nach einem Jahr dreizehn Mal – ein Mal an den Kabelhersteller und zwölf Mal an den Stromversorger.
Durch eine Installation in Verlegeart C lässt sich der Faktor noch auf siebzehn steigern.
Nun werden Kabel und Leitungen selten mit konstanter Last betrieben, und wenn, dann ist diese Last kaum jemals gleich der höchstzulässigen. Wie die Rechnung nahe legt, ist es aber selbst dann noch einer Erwägung wert, einen stärkeren Querschnitt (Bild 1) zu wählen als nach bisheriger Normenlage erforderlich, wenn der wahre Betriebspunkt/Betriebsbereich sehr weit vom durchgehenden Volllast-Betrieb entfernt ist. Doch wo liegt dieser Punkt, und wie findet man die hierfür optimale Bemessung des Querschnitts zur Minimierung der Lebensdauerkosten?
Während der TBINK-EEE der DKE [3], der Technische Beirat internationale und nationale Kooperation für elektrische Energieeffizienz, noch an einem Normungsplan (zu Deutsch „Roadmap“) arbeitet, sind die Gremien schon bei der Sache. Dies gilt etwa für das Komitee 544 „Elektrische Einrichtungen für energieeffiziente Gebäudeinstallationen“, für dessen Arbeitskreis 544.0.1 „Grundlagen zu energieeffizienten Geräten, Installationen und Systemen“ und für den Arbeitskreis 221.5.1 „Energieeffizienz und smarte Installationen“. Was gibt es dort zu tun?
Im Elektropraktiker war in letzter Zeit verschiedentlich von Lastprofilen die Rede (siehe ep Tipp) – und genau die sind es: Von den Lastprofilen hängt es in ganz entscheidender Weise ab, ob und wie weit sich eine „Überdimensionierung“ der Leiterquerschnitte lohnt. Hierauf verweist auch die neue DIN VDE 0100-801 [4], die sich speziell dem Thema „Energieeffizienz“ widmet. Dort heißt es u. a. unter Punkt 6.2 „Bestimmung des Lastprofils: Die Anforderungen der größten Lasten in der Anlage müssen bestimmt werden. Die Lasten [...] sollen zusammen mit ihrer Betriebsdauer und/oder dem geschätzten jährlichen Verbrauch ermittelt und aufgelistet werden“, sowie speziell zu Kabel- und Leitungsquerschnitten:
„Die Vergrößerung der Querschnitte von Kabeln und Leitungen führt zur Reduzierung der Leistungsverluste. Diese Entscheidung muss unter Berücksichtigung der Ersparnisse innerhalb eines bestimmten Zeitrahmens, im Zusammenhang mit zusätzlichen Kosten durch die Überdimensionierung, erfolgen. [...] ANMERKUNG Bei manchen Anwendungen (insbesondere im industriellen Bereich) können die wirtschaftlichsten Querschnitte um einiges größer sein als die aus thermischen Gründen erforderlichen.“ Sodann wird auf die IEC 60287-3-2 „Wirtschaftliche Optimierung der Leiterquerschnitte“ verwiesen [5].
Ansatz 1: Mittelwert-Hypothese
Welches ist denn der Mittelwert aus z. B. 1 mm und 1 km? Gewöhnlich meinen wir mit dem Mittelwert zweier Werte, wenn wir nichts dazu sagen, das arithmetische Mittel, also umgangssprachlich den Durchschnitt. Dies entspräche im gewählten Beispiel dem Wert, der zu den beiden Werten gleiche Differenzen aufweist, also auf einer linearen Skala von beiden gleich weit entfernt liegt. Im vorliegenden Fall wären das näherungsweise 500 m, ganz genau gesagt 500,0005 m. Dieser Wert läge jedoch schon rein „gefühlsmäßig“ viel zu dicht an der oberen und viel zu weit weg von der unteren Grenze des Bereichs. Dem Techniker drängt sich in diesem Beispiel doch wohl eher der Wert 1 m als Mittelwert zwischen 1 mm (= 1 m/1 000) und 1 km (= 1 m x 1 000) auf.
Dies entspräche dem geometrischen Mittel. Hiermit ist der Wert gemeint, der zur oberen und zur unteren Grenze des genannten Bereichs im gleichen Verhältnis steht, sich also um denselben Faktor von der oberen und der unteren Grenze des Bereichs unterscheidet und somit auf einer logarithmischen Skala in der Mitte dazwischen läge.
Dieser Mittelwert ist in jenen Fällen wesentlich praxisgerechter als der arithmetische, in denen der kleinste Wert dem Betrag nach sehr klein ist, also nahe bei 0 liegt, und der große sehr weit von 0 entfernt liegt. Man ermittelt ihn, indem man die beiden Werte nicht addiert, sondern multipliziert und dann die Wurzel aus dem Produkt zieht statt die Summe durch die Anzahl der Werte zu teilen. Bei drei, vier, fünf… Werten muss aus deren Produkt die dritte, vierte bzw. fünfte… Wurzel gezogen werden, doch dies ist hier nicht von Belang.
