Sparpotenzial bei Kabel- und Leitungsanlagen

Mit der Annahme der Energiestrategie 2050 halten Energieeffizienzfragen verstärkt Einzug in der Normung elektrischer Anlagen und deren praktische Anwendung in der Installationspraxis. Diese Tendenz zeigt sich unter anderem in der Planung eines ressourcenschonenden Lastmanagements, dem Smart Metering mit dem Ziel einer möglichst genauen Effizienzanalyse des Verbrauches und nicht zuletzt im neuen NIN-Kapitel 8.1 mit dem vielsagenden Titel «Energieeffizienz in Niederspannungsanlagen». Was gilt es bezüglich Energieeffizienz zu beachten bei der Planung des Querschnittes und der Auslastung von Kabel- und Leitungsanlagen?

Wird eine erfahrene Elektrofachkraft gefragt, wie sie Leitungen dimensioniere, lautet eine häufige Antwort: «Nach den alten Hausinstallationsvorschriften HV». Im Wohnungsbau wird damit meistens ein gutes Resultat erzielt. Anders präsentiert sich die Situation in Zweckbauten der Industrie und des Gewerbes, wo diese Art der Querschnittsbestimmung von Leitungen nicht mehr zeitgemäss ist. Auch im Wohnungsbau sind auf diesem Gebiet Veränderungen zu verzeichnen, insbesondere da mit der Elektromobilität ein neuer Dauerstrombezüger in Wohngebieten Einzug hält. Dieser neuen Realität gilt es mit einer entsprechenden Anlagenplanung Rechnung zu tragen.

In den Normen hat sich ebenfalls ein Paradigmenwechsel vollzogen. Stand früher bei der Leitungsökonomie die elektrische Sicherheit im Vordergrund, kommt neu der Aspekt der Energieeffizienz hinzu. Die Querschnittsberechnung von Leitungen und Kabeln basiert nicht mehr auf der Frage «Wie warm darf meine Leitung maximal werden?», sondern auf folgender Überlegung: «Bei welchem Leitungsquerschnitt ist
die Energieeffizienz am höchsten, wenn gleichzeitig die maximale Temperatur von 70 °C nicht überschritten werden darf?»

Warum «mehr Kabel» weniger kostet

Grundsätzlich gilt, dass energieeffiziente Leitungen einen vergleichsweise grossen Querschnitt aufweisen. Bei Querschnitten, die grösser sind als die zwecks Einhaltung der Maximaltemperatur vorgeschriebenen Querschnitte, sind nämlich weniger Verluste bezüglich Stromwärme zu verzeichnen. Die ökonomischen Verlustkosten fallen entsprechend geringer aus. Oder anders gesagt, neben Energie wird auch Geld
gespart. Dieser Grundsatz soll nachfolgend detailliert und nachvollziehbar als Anregung für die Praxis erläutert werden.


Beispiel: Zuleitung Klimaanlage

Für die Zuleitung von 50 m Länge wird ein Fe0 Kabel 5 x 4 mm2 verlegt. Die Kosten betragen CHF 150. Nach Verlegeart B 2 (NIN 2015 5.2.3) kann dieses Kabel bei drei belasteten Leitern einen Betriebsstrom von 27 A führen. Die Stromwärme-Verlustleistung beträgt inklusive Neutralleiterstrom 638 W.

Bei einem Strompreis von CHF0,20/kWh hat sich die Zuleitung nach 1200 Betriebsstunden (ca. 1,5 Monate)
bereits amortisiert, d. h., die geringeren Wärmeverlustkosten egalisieren die höhere Initialinvestition bzw. die höheren Kosten für das Kabel aufgrund des grösseren Leitungsquerschnittes. Nach weniger als zwei Monaten Betriebsdauer hat sich das Kabel ein zweites Mal amortisiert resp. nach einem Jahr siebenmal. Bei ungünstigen Verlegearten wie beispielsweise der Verlegeart C kann dieser Faktor gar das 10-fache betragen.
Allerdings ist es zugebenermassen eher unüblich, Kabel und Leiter im Dauerbetrieb und erst noch zu 100 %
zu belasten.

Wie das Beispiel der Zuleitung einer Klimaanlage sehr anschaulich aufzeigt, lohnt es sich aus ökologischer wie auch ökonomischer Sicht, einen grösseren Leiterquerschnitt zu verwenden. Werden doch die Mehrinvestitionen innert überblickbarer Zeit amortisiert.

Ökonomische Leitungsdimensionierung

Würde die Dimensionierung von Leitungen nach rein ökonomischen Kriterien vorgenommen, müssten meistens grössere Normquerschnitte als früher üblich verwendet werden. Dabei kommt es zu einem Skaleneffekt: Je länger die Jahresbetriebsdauer, desto mehr lohnt sich ein grösserer Querschnitt der Leitungen.

Die Verlustleistung, die jährliche Annuität (Amortisierung) der Investitionskosten und der Break-even werden wie folgt berechnet: Bei den Verlusten werden die Verluste der vorgelagerten Elemente,
d. h. von weiteren Zuleitungen und von den Transformatoren, nicht berücksichtigt. Die jährliche Annuität der Investitionskosten sind die jährlichen Kosten für die Investition über die Abschreibungsdauer bei einem vorgegebenen Zinssatz. Addiert man diese zu den Verlustkosten, so ergeben sich daraus die gesamten jährlichen Kosten über die Abschreibungsdauer. Der Break-even (Gewinnschwelle) ist der Punkt, wo die jährlich eingesparte Wärme-Verlustleistung und die jährliche Annuität der Investitionskosten gleich hoch sind und sich dementsprechend aufheben.

Leitungsdimensionierungsmodul Anlageplanung NIN
Bild 1: Leitungsdimensionierungsmodul in der Anlagenplanung der NIN.

Welche Leitungen sollten speziell im Fokus der Leitungsökonomie stehen?

Aufgrund der obigen Berechnungsgrundlagen wird schnell klar, bei welchen Leitungstypen in Neuanlagen die
Dimensionierung überprüft werden muss:

  • grosse, knapp dimensionierte Leitungen
  • Anlagen mit regelmässiger Leistung
  • Anlagen mit hohen Betriebsstunden
  • lange Leitungen

Bei bestehenden Anlagen muss zusätzlich die Dimensionierung von erwärmten Leitungen überprüft werden.

Berechnung der Leitungen im Rahmen der Anlagenplanung

Das Leitungsdimensionierungsmodul in der Anlagenplanung der NIN (Bild 1) berechnet mittels vieler möglicher Parameter denjenigen Leitungsquerschnitt, bei dem die Installation am energieeffizientesten ist. Dabei können folgende Grössen erfasst werden:

  • Anzahl paralleler Leiter
  • Strombelastung
  • Leitertyp
  • Umgebungstemperatur
  • Verlegeart
  • Häufung
  • Länge
  • Betriebsstunden
  • Energiekosten
  • Betriebsdauer
  • Zinssatz
  • Installationskosten pro Meter

Sparpotenzial

Das wirtschaftliche Einsparpotenzial von optimal dimensionierten Leitungen liegt bei bis zu 1 % der übertragenen Leistung. Je nach Leitungstyp, Belastung und Stromkosten kann man mit einer nach Lebenszykluskosten ausgelegten Leitung über CHF 2000 pro Jahr einsparen.

Autor
Peter Bryner ist dipl. Elektroinstallateur und MAS FHNW Energieexperte. Er bearbeitet bei Electrosuisse Projekte in den Bereichen Niederspannungs-Installationen und leitet das Team Bildungsmedien.

 

 

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