Wirkungsgradoptimierte Elektromotoren

Internationale Forderungen

In den letzten Jahren ist das Umweltbewusstsein der Bevölkerung deutlich gewachsen. Massnahmen zur Energieeinsparung wurden gefordert. Neben den privaten Haushalten kommt gerade der Industrie eine Schlüsselrolle zu, da ca. 70% der erzeugten Energie durch industrielle Produktion benötigt werden. Durch die internationalen Umweltkonferenzen der letzen Jahre in Rio de Janeiro, Kyoto und Buenos Aires wurden Forderungen laut, die unmittelbar den weltweiten Energiebedarf betreffen und eine Reduzierung des CO2 – Ausstoßes fordern.

Sicherlich ist jedem Techniker der Zusammenhang zwischen Wirkungsgradverbesserung und Energieeinsparung klar. Daher ist gerade der Elektromotor in das Blickfeld der Betrachtungen gerückt.

Energiebedarf

Untersuchungen zeigen [3] wie groß der Anteil mechanischer Systeme im industriellen Bereich ist. Ein erheblicher Anteil hiervon entfällt auf den Elektromotor – als mechanisch- elektrischen- Energiewandler (Abb1.). Applikationen wie Pumpen, Kompressoren, Kältemaschinen und Fördertechnik sind zwangsläufig mit dem Einsatz von Elektromotoren verbunden. In den privaten Haushalten erfordern tagtägliche Selbstver-ständlichkeiten wie die Versorgung mit Trinkwasser oder Erdgas genauso zwangsläufig den Einsatz eines Elektromotors, wie in Industrie und Handwerk das Betreiben der Werkzeugmaschine, des Kranes oder des Kompressors. Elektromotoren nehmen somit eine Schlüsselrolle im internationalem Energiebedarf ein.

Auch durch zukünftige Innovationen oder neue Möglichkeiten der Energieerzeugung wird sich an der Wichtigkeit dieses Antriebes wohl wenig ändern.

Durch konsequente, optimierte Antriebstechnik könnte nach aktuellen Erhebungen des ZVEI [3] ein Energie- Einsparpotential von ca. 20TWh realisiert werden, was der Kapazität von ca. acht fossilen Kraftwerksblöcken p.a. entspricht. Der CO2- Ausstoß könnte somit um bis zu 11 Millionen Tonnen reduziert werden.

Wirkungsgradoptimierung

Motorhersteller in Europa beschäftigten sich mit dem Thema Wirkungsgradoptimierung bereits seit den 70er Jahren. In Folge der internationalen Umweltkonferenzen, haben sich verschiedene europäische Hersteller von Elektromotoren auf ein Maßnahmenbündel verständigt, um langwierige bürokratische Regelungen zu vermeiden und möglichst schnell
Einsparpotenziale realisieren zu können. Da der
Bereich der elektrischen Antriebstechnik recht
vielfältig ist, wurde untersucht in welchem Bereich
schnell und einfach Massnahmen ergriffen werden
können.

Drehstromasynchronmotor ist weit verbreitet

Der Drehstrom Asynchronmotor mit Käfigläufer ist die wohl verbreitetste Antriebsmaschine. Dies ist auf den rel. einfachen, robusten Aufbau, geringen Wartungsaufwand und hohe Lebensdauer zurückzuführen.
Abb.2 zeigt in welchem Leistungsbereich die Einsatzschwerpunkte liegen [1, 3].

Vielfältige Einsparmöglichkeiten

Durch Drehzahlregelung – mittels Einsatz von Frequenzumrichtern, sowie Anlagenprojektierung mit dem Ziel Energie einzusparen ( hierauf wird im Folgenden nicht näher eingegangen ) ergeben sich bereits beachtliche Einsparpotenziale.

Ferner sollte jedoch eine Möglichkeit gefunden werden auf möglichst einfache Weise weitere Einsparungen zu erzielen und somit einen weiteren Beitrag zum Umweltschutz zu leisten. Eine einfache aber effiziente Möglichkeit ergibt sich durch den Einsatz von wirkungsgradoptimierten Motoren.

Europäische Regelung

Aufgrund der o.g. Untersuchungen verständigte sich der europäische Herstellerverband CEMEP 1) mit der zuständigen Generaldirektion Energie der europäischen Kommission, eine Klassifizierung von Elektromotoren einzuführen. Danach werden Drehstromasynchronmotoren im Leistungsbereich zwischen 1,1 und 90 kW eingeteilt ( ausschließlich 2- und 4- polige Motoren ) in drei sog. Effizienzklassen ( „eff- Klassen“ eff = efficiency ).

Zur Klassifizierung wurden drei Grenzkurven festgelegt (Abb. 3 ).

Die Hersteller bescheinigen durch Herstellererklärungen die Einhaltung der geforderten Grenzwerte. Um Transparenz zu erreichen wurden zahlreiche Randbedingungen, wie z.B. das Messverfahren zur Wirkungsgradbestimmung gem. DIN EN 60034-2 ( IEC 34-2 ) genau festgelegt.

1) European Commitee of Manufacturers of Electrical Machines and Power Electronics

Motoren die diesen Wirkungsgradklassen entsprechen werden mittels geschützter Logos gekennzeichnet
( Abb. 4 ).

Kennzeichnung

Die Kennzeichnung erfolgt auf dem Motorleistungsschild, sowie in den Katalogen der Hersteller.
Ausschließlich europäische Hersteller die sich vertraglich verpflichtet haben sind berechtigt die entspr. geschützten Logos zu verwenden.

Ziel der Vereinbarung ist es, die Zahl der sog. eff3- Motoren bis zum Jahr 2003 um mindestens 50% zu reduzieren. Ähnliche Vorschriften existieren seit Mitte der 90er Jahre in
Nordamerika für 2- bis 6-polige 60Hz- Motoren im Leistungsbereich bis 200HP- etwa 150kW- durch gesetzlich vorgeschriebene Mindestwirkungsgrade.

Die Wirkungsgrade in nordamerikanischen Regelwerken ( z.B. gem. EPCA ) sind nicht direkt mit den europäischen Klassifizierungen zu vergleichen. Grund hierfür sind gravierende Unterschiede in den Mess- und Kalkulations-verfahren zur Wirkungsgradbestimmung.

Notwendige techn. Massnahmen

Höhere Wirkungsgrade werden durch optimierte Maschinenauslegungen erzielt. Wesentliche Faktoren sind Qualität und Menge des eingesetzten sog. Aktivmaterials. Auslegungen mit niedrigeren Betriebstemperaturen und grösseren Aktivteilen (Ständerblechpaket und Läufer) sind erforderlich und somit ein erhöhter Einsatz von Kupfer in der Ständerwicklung und Aluminium im Läuferkäfig (oder ebenfalls
Kupfer ).

Die zu ergreifenden Massnahmen hängen wesentlich von der Auslegung des jeweiligen Herstellers ab. Gewählte mechanische Abmessungen, wie z.B. die Grösse des Luftspaltes zwischen Ständerblechpaket und Läufer, spielen eine wesentlich Rolle [2]. Hier muss sorgfältig abgewogen werden ob die Massnahme zur Optimierung noch im rechten Verhältniss zum erzielbaren Nutzen steht. So kann beispielsweise eine Verkleinerung des vorgenannten Luftspaltes zu einer Wirkungsgradverbesserung führen, andererseits entstehen aufgrund der erforderlichen schärferen Fertigungstoleranzen höhere Kosten.

Verluste des ASM

Die Verluste in der Asynchronmaschine treten hauptsächlich in Form von Wärmeverlusten in verschiedenen Bereichen auf. Aus diesem Grund sind Maschinenauslegung mit niedrigeren Betriebs- und Wicklungstemperaturen notwendig. Positiver Nebeneffekt ist, dass hierdurch gleichzeitig die Lebensdauer der Maschinen erhöht wird. Abb. 5 zeigt wo die Verluste in der Asynchronmaschine entstehen [4].

Pauschal kann man sagen, dass eine Wirkungsgradoptimierung zwangsläufig mit erhöhtem Materialeinsatz verbunden ist. Die „Ertüchtigung“ eines Motors um den Anforderungen der Effizienzklasse eff1 zu entsprechen macht i.d.R. einen Mehraufwand an Material von bis zu 25% erforderlich [2].

Damit ist ein grösserer Kostenaufwand in der Produktion und zwangsläufig auch ein höherer Motorpreis verbunden.

Betriebskosten – Einsparungen

Der höhere Beschaffungspreis für Energiesparmotoren schreckt zunächst viele Betreiber oder Industrieeinkäufer ab.
Betrachtet man jedoch die Betriebskosten, so wird schnell klar, dass sich optimierte Maschinen schnell amortisieren ( Abb. 6,7 )

Bereits ab ca. 4.000 Betriebsstunden p.a. lohnt sich nach einfacher Überschlagsrechnung der Einsatz eines eff1- Motors, ein eff2- Motor bereits nach 2000h p.a. [2,3].
Eine deutliche Einsparung die sich bereits beim Betrieb des Kompressors im Handwerksbetrieb – erst recht beim Maschinenpark in der Industriebetrieb rechnet.

Kostenbewusstsein von Einkauf zum Vertrieb erforderlich !

Leider ist die Wichtigkeit im Bewußtsein der Industrie – gerade bei vielen Industrieeinkäufern – noch nicht ausreichend gewachsen. Die Summe der Beschaffungskosten bestimmt natürlich massgeblich die Höhe der Selbstkosten für das gefertigte Produkt und somit auch die Höhe des erzielten Gewinns. Eine weitere Motivation mögen die üblichen Leistungsbeurteilungen und der grosse Leistungsdruck der Einkäufer sein. Hier wird leider vornehmlich nach der möglichst kostengünstigsten Beschaffung beurteilt. Den späteren Betriebskosten des Produktes wird vornehmlich keine entscheidende Bedeutung beigemessen .

Auf der Vertriebsseite kann dabei dieses Potential als Kundennutzen erfolgversprechend und sinnvoll verkauft werden. Dies ist derzeit vornehmlich bei Komponenten im Bereich von Druckluftanlagen, Kältemaschinen und Ventilatoren festzustellen. In diesen Bereichen wird bereits seit längerem der möglichst geringe Energiebedarf – und damit das Senken der Betriebskosten – als Produktmerkmal verkauft.

Abb. 8 zeigt ein Beispiel einer Erhebung [3] über die anteiligen Gesamtkosten eines Motors und dem entspr. Anschaffungspreis. Für jede Mark die in den Kauf eines Elektromotors investiert wird gibt man später abhängig vom jeweiligen Wirkungsgrad bis zu 100 DM für den Betrieb des Motors aus [2].

In Großbritannien wird bereits seit 2000 der Einsatz sog. Energiesparmotoren ( u.a. gem. eff1- Klassifizierung ) staatl. gefördert. Betreiber erhalten schon im ersten Betriebsjahr einmalige Nettovergütungen um Abschreibungszeiten zu verkürzen, sowie um Anreize zum aktiven Umweltschutz zu schaffen. Solche gesetzlichen Förderungen sind wünschenswert und werden sich sicherlich in ähnlicher Form kurzfristig auf europäischer Ebene durchsetzen.

Gerade dem Enduser wird somit die Möglichkeit gegeben Einsparpotenziale auf einfache Art zu nutzen. OEMs erhalten die Möglichkeit sich durch Einsatz von Energiesparmotoren bei ihren Kunden zu qualifizieren (erhöhter Kunden-nutzen). Bereits bestehende, in Betrieb befindliche Anlagen können einfach durch Umrüstung optimiert werden. Motoren der eff – Klassen sind bzgl. ihrer mech. Anschlussabmessungen nach IEC genormt und können somit leicht mit vorhandenen, älteren Motoren ausgetauscht werden. Daher können i.d.R. auch Fabrikate eines anderen Herstellers bereits vorhandene Antriebe ersetzen.

Schlussbemerkung

Trotz des derzeit stark in Bewegung befindlichen Strommarktes und sinkender Stromkosten ist der Energiesparmotor eine lohnende Investition. Langfristig wird ein höherer Nutzen für die Umwelt- und für die Minimierung von Betriebskosten erzielt. Es bleibt zu hoffen das diesbzgl. gesetzliche Vorgaben nicht lange auf sich warten lassen.

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Erstellt von:
Volker Jennessen – Produktmanagement
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