[Vorstellung] Energieverbrauch

Ich habe dieses Thema im gewerblichen Bereich angesiedelt, weil es da auch um unsere Maschinen geht. Sollte es als ‚eher allgemein‘ betrachtet werden, kann es auch gerne verschoben werden.

Bei der Dimensionierung von Kessel und Wärmebrücke der Xenia fielen einige interessante Dinge auf, die mit dem Energieerbrauch zu tun haben. Eine verchromte Brühgruppe brauchte zBsp. merklich weniger Energie um auf Temperatur zu bleiben, als eine unverchromte Gruppe. Ohne eingespannten Siebträger wird die Gruppe auf Dauer ca. 2 Grad wärmer. Und: 10 mm Nadelfilz sorgen dafür, dass ein Boiler schneller wieder aufgeheizt sein kann.

Ende 2019 habe ich dann überlegt, wie man eine Boilermaschine weniger energiehungrig konstruieren kann und am Ende stand der ganz neue Entwurf, der heute als Maschine 303 relativ kurz vor der Produktion steht. Und langfristig gibt es den Wunsch, einige wirksame Maßnahmen auf unsere Butter-und-Brot-Maschinen zu übertragen.

Um Maßnahmen bzw. die Wirksamkeit zu beurteilen, muss man feststellen können, wie gut eine Maschine mit der Energie umgeht und Energieeinsparung bei Siebträgermaschinen interessiert ja auch immer mehr Menschen. Ich habe mir dazu die Arbeit von Tobias Milz angesehen, inbes. die Ausführungen zur LaMarzocco Micra und Lelit Bianca. Die dort dargestellten Messungen haben in meinen Augen eine sinnvolle Systematik und bieten gute Ansätze zum Weiterdenken.

Die Artikel sind:
La Marzocco Linea Micra - Top-Dualboiler im Test
Lelit Bianca V3 im Espresso-Test
Es gibt noch einen Beitrag, in dem über diese Messungen an sich nachgedacht wird (den Link habe ich nicht mehr gefunden).

Daher habe ich auch den Tipp für ein Messgerät, das ausreichend Nachkommastellen hat.


Wenn man sich genauer anschaut, wofür Energie verbraucht wird, dann kann man durchaus sagen, dass einige Verbräuche wohl eher konstant/unbeeinflussbar seitens der Maschine sind. Der Bezug eines Espressos wird immer dazuführen, dass x ml Wasser von 20°C auf 90°C erhitzt werden und das kann keine Maschine günstiger erledigen. Einziger Unterschied: Wenn am Ende eines Bezug viel Wasser aus der Gruppe in die Abtropfschale geleitet wird, dann wird auch viel Energie verschwendet. So wird ein 2-Kreiser der Xenia in diesem Punkt immer besser abschneiden, als eine Maschine mit E61-Gruppe, die nach dem Bezug ziemlich viel aufgeheiztes Wasser in die Abtropfschale leitet.
Diesen Verbrauch für Espresso zu ermitteln, dürfte nicht aber so einfach sein. Eine Idee könnte sein, den Verbrauch einer Maschine in einer Stunde ohne Bezug zu messen und dazu im gleichen Zeitraum 20 Espressi zu machen (mit immer gleicher Menge, 25ml) und die beiden Verbrauchswerte zu vergleichen. Oder man nimmt die Menge Espresso (25ml) und addiert das Abwasser und errechnet die Energie, die man braucht um die Gesamtmenge Wasser von 20°C auf 90°C zu erhitzen.

Mit Ausnahme der Frage, wie viel Energie durch das Abwasser verloren geht, könnte man aber für eine grundsätzliche Betrachtung der Maschinen Schäumen und Bezug aussen vorlassen, weil diese Werte fast ausschließlich durch den Nutzer bestimmt werden (Häufigkeit und Dauer) und es technisch wohl eher keinen Ansatz gibt, energieärmer zu beziehen oder zu schäumen. Mehr dazu ganz am Ende.

Genauso ist die Frage gelagert, wie viel Energie Schäumen braucht.

Der Verbrauch zum Aufheizen einer Maschine wäre demgegenüber eine Größe, die durchaus wichtig ist. Und die steht in Verbindung zu der Größe der Maschine, insbesondere zur (1) Kesselgröße und (2) Fläche der Brühgruppe, die für mehr oder weniger Wärmeverlust durch Abstrahlung sorgt. Dazu kommt noch ggf. die Wirksamkeit einer (3) Boilerisolierung in der Startphase.



Aussen vorgelassen was ‚aufgeheizt‘ bedeutet, sieht man, dass größere Maschinen mehr Energie beim Start verbrauchen. Neben der Zeit, wie lange das dauert, ist das sicherlich eine wichtige Größe zur Bewertung.

Da Maschinen oft und gerne nach einem Bezug weiterlaufen gelassen werden, ist die 2. wichtige Frage: wie viel verbraucht so eine Maschine in zBsp. 1 Stunde ohne dass sie genutzt wird. Da geht es dann u.a. um die Isolierung bzw. die Fähigkeit einer Maschine Wärme zu halten:



Wenn man nach 1 Stunde einen Bezug macht, ist der ‚Ruheverbrauch‘ interessanter Wert. Jedoch gibt es noch 2 andere denkbare Szenarien, die hier berücksichtigt werden müssen. Man könnte nach einem Bezug die Maschine ausstellen und nach 1 Stunde wieder anstellen. Oder die Maschine kennt einen Eco-Modus.

Ergänzend zu den Ideen von Tobias Milz und den obigen Überlegungen, hängt man an die 60 Minuten Ruhephase (Maschine anlassen / ECO-Modus anschalten / Maschine ausschalten) eine 10 minütige Startphase an dessen Ende man den Verbraucht misst. Das wäre dann der Zeitpunkt an dem jede Maschine fertig für einen Espresso wäre und dann hätte man die realen Kosten für eine einstündige Ruhephase. Der Verbrauch des Espressos oder des Schäumens wäre dann wieder mehr oder weniger eine konstante Größe (mit Ausnahme des Abwasserverlustes).

Bis an das Ende der 60 minütigen Ruhephase sähe das so aus:


Schaltet man die Maschine dann wieder an (Messung 2 und 3), dann sind die Verbräuche:



(Der besseren Lesbarkeit wurde die Tabelle unterteil.)

Mit den Verbräuchen für Aufheizen und dem Verbrauch für 1 Stunde ‚Ruhe‘ hätte man so Art Grundfähigkeit einer Maschine ermittelt, wie gut sie die Wärme nutzt.

Schaut man sich die letzte Spalte an, dann sieht man, dass Ausschalten sich immer lohnt, man es aber mit mehr Wartezeit bezahlt. Wobei man anmerken muss, dass die 0,3233 kWh der 1. Zeile eigentlich nur 0,3008 kW sind, weil man beim ‚Durchheizen‘ keine Aufwärmphase hat.

Diese beiden Werte sind erst einmal keine Werte, die die Praxis abbilden. Sie sind eine Art Minimum, vll. vergleichbar mit den Verbrauchswert von Autos (Herstellerangaben). Um praxisnahe Werte zu bekommen, müsste man aber nur die (immer gleichen) Werte für Bezug und Schäumen addieren und so kann sich jeder im Prinzip im Voraus errechnen, was ihn der Einsatz der Maschine X kosten wird.

Das waren also die grundlegenden Gedanken und mich würden Meinungen interessieren, um ggf. die Systematik zu verbessern.

 

Die 303 wurde ganz speziell für den Betrieb einer Espressomaschine mit Boiler entworfen.

Es gibt unterschiedliche Technologien mit unterschiedlichen Vor- und Nachteilen. 'Fahrradfahren' ist ja auch nicht der Maßstab für das 'Autofahren', ob es absolut seine Vorteile hätte.

Ich denke man sollte das Thema ergebnisoffen diskutieren und nicht Lösung X oder Y gleich in die Ecke stellen.

 

Analog zu den Überlegungen im 1. Beitrag, wurden die Verbrauchswerte (wo es möglich ist: in Form von Durchschnittswerte) der 303 gemessen.



Die Maschine hat ja recht große Boiler. Für die Berechnung der Größe der Boiler wurden die Aussenmaße der Boiler der 303 genommen. Mit den Innenmaßen, wäre das Volumen entsprechend geringer.

Da am Aufheizen des Wassers nur wenig verbrauchsseitig zu optimieren ist, fallen dafür knapp 0,2 kWh an. Damit liegt die 303 erwartungsgemäß über der deutlich kleineren Xenia und etwas über der Micra. Die Bianca hat – nach Größe der Boiler- in etwa die gleiche Gewichtsklasse wie die 303a, aber da hier der Abstand im Verbrauch (0,19 zu 0,32 kWh) relativ groß ist, ergibt das einen Anhaltspunkt für die Wirksamkeit der Isolierungen. Man kann davon ausgehen, dass die abstrahlende Fläche der E61-Gruppe und das Gewicht der E61-Gruppe den maßgeblichen Anteil am Mehrverbrauch hat. Vermutlich wirken sich also die Isolierungen der Boiler der 303 auch schon in den ersten 10 Minuten beim Aufheizen positiv aus.

Wenn der Nutzer eine Maschine nach einem bezug weiterlaufen lässt, ist es interessant zu sehen, wieviel Energie eine Maschine für diese Standby-Zeit (ohne Eco-Modus oder Ausschalten) braucht. Oder anders gesagt: was kostet die sofortige Betriebsbereitschaft?



Interessanterweise holt hier die Bianca gegenüber der Micra nach den Messungen der Kaffeemacher auf. Zu dem Warum kann man nur spekulieren: Vielleicht sind die Boiler besser isoliert. Vielleicht isoliert die Chromschicht der Gruppe sehr wirksam.

Die isolierte Brühgruppe der 303 und die stark isolierten Boiler der 303 ergeben dann einen Wert der merklich unter der kleineren Xenia liegt. Vermutlich gibt es hier auch noch weiteres Energieeinspar-Potential, weil die Brühgruppe der 303 noch nicht in der besten Version gefertigt ist.

Aber nicht jeder Nutzer lässt eine Maschine durchlaufen. Das sind dann die Werte für den Eco-Modus und das zwischenzeitliche Ausschalten:



Und des Weiteren:



Anmerkung: Die Aufheizwerte sind noch nicht ganz verlässlich, weil die PID-Parameter noch nicht genau ermittel wurden. So pendelt die Gruppe leicht nach dem Aufheizen. Das sollte noch besser gehen und dann hätte man belastbare Werte.

Schaut man sich an, was nach 80 min insgesamt an Energie anfällt, sieht man dass die deutlich größere 303 sogar leicht unter den Werten der viel kleineren Xenia liegt:




Mit der maximal isolierten Gruppe verbessert sich der Verbrauch der 303 vermutlich noch einmal. Um wieviel ist aber heute schwer einzuschätzen und die jetzigen Werte sind an so schon an sich sehr vielversprechend.

Einige Stellschrauben (ausser der verbesserten Gruppe) gibt es noch. So wird die kommende Firmware die Sensoren nach 10 Minuten ausstellen, und das senkt den Verbrauch noch etwas.Zumindest den Atmel-Prozessor wird man noch in einen schlafmodus schicken können. Bei dem ESP32 gibt es auch Schlafmodi, aber da ist dann auch schnell die WiFi-Funktion auch mit ausgestellt. Ober ds praktikabel ist, muss man sehen.