Zeitschrift EE

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Elektromotoren: gewaltige Stromverbraucher mit hohem Einsparpotenzial

Aufgrund der dynamischen Entwicklung internationaler Effizienzstandards und der Mindeststandards der EU befindet sich der Motormarkt in ständiger Bewegung. Seit 2011 sind in der EU effiziente Motoren nach IE2-Standard („High Efficiency“) vorgeschrieben, die bis zu diesem Zeitpunkt nur ca. 10 % Marktanteil hatten. 2015 wird diese Vorgabe nochmals wesentlich verschärft und mit dem Einsatz von Frequenzumrichtern kombiniert werden. In den USA gelten bereits jetzt IE3-Motoren („Premium Efficiency“) als Mindeststandard, einige Hersteller bringen sogar schon Motoren bis zu IE4 („Super Premium Efficiency“) auf den Markt. Ein internationales Forschungskooperationsprojekt beschäftigt sich mit diesem Thema.

Von Konstantin Kulterer

Abbildung 1: Motorsystem im Betrieb, Beispiel Lüftungsanlage. Quelle Konstantin Kulterer

Größter Stromverbraucher in der Industrie

Elektrische Standmotoren benötigen 75% der elektrischen Nutzenergie im produzierenden Bereich und rund ein Viertel der gesamten Nutzenergie (Elektrizität und Wärmeenergie) in diesem Sektor. Damit werden drei Viertel der in diesem Sektor eingesetzten elektrischen Energie oder rund 20.000 GWh über den Motor in mechanische Energie umgewandelt, das verbleibende Viertel wird für Beleuchtung, EDV und thermische Anwendungen benötigt (siehe Abb.2).

Abbildung 2: Aufteilung der elektrischen Nutzenergie in der Produktion [1], Quelle: Nutzenergieanalyse, Statistik Austria, 12.12.2012

E-Motoren werden dabei in allen Branchen benötigt, jene mit dem größten Anteil am gesamten Stromverbrauch sind Papier, Chemie (mit einem Anteil von 90% und darüber), Eisen und Stahl sowie Maschinenbau. Ein durchschnittlicher Motor läuft ca. 4.000 Stunden im Jahr und treibt dabei Maschinen für die Produktion an: Druckluft- und Kältekompressoren, Ventilatoren, Pumpen, Förderbänder, Walzen usw. Elektromotoren stellen damit das Rückgrat der immer noch fortschreitenden Automatisierung in Produktion und Logistik dar (siehe Abb.3).

Abbildung 3: Anteil der von Elektromotoren angetriebenen Maschinen, Aufteilung des Stromverbrauchs nach Endverbrauchs-Anwendung, Quelle: EuP Lot 30: Electric Motors and Drives, Task 2: Economic and Market Analysis, 3rd Draft, May 2013, Seite 6

Aufgrund ihrer langen Lebensdauer entsprechen die installierten Motoren oft nicht mehr den tatsächlichen Anforderungen und dem Stand der Technik. Durch entsprechende Optimierungsmaßnahmen können daher durchschnittlich 20 % des Stromverbrauchs im Gesamtsystem vom Motor bis zur Endanwendung eingespart werden, das entspricht in Österreich einem Strombedarf von ca. 4.000 GWh.

Österreich beteiligt sich aus diesen Gründen seit 2008 am Annex Electric Motor Systems des Implementing Agreements der Internationalen Energieagentur Efficient Electrical End Use Equipment. Dieses Projekt soll international die Aufmerksamkeit für das Effizienzpotenzial elektrischer Motorsysteme erhöhen und entwickelt dazu geeignete Leitfäden und Tools. Die österreichische Beteiligung am Implementing Agreement für effiziente stromverbrauchende Geräte wird vom Bundesministerium für Innovation und Technologie (BMVIT) im Rahmen der IEA Forschungskooperationen finanziert.

Internationale und nationale Motorpolitiken

Die Österreichische Energieagentur leitet die Task Motor Policy und erarbeitet die „Policy Guidelines for Electric Motor Systems“, einen Best-Practice Guide für politische Instrumente im Bereich elektrischer Motorsysteme in Zusammenarbeit mit internationalen Experten aus den USA, Australien, Schweiz, China und einigen anderen mehr. Die Vorstudie „Motor Policy Guide, Part I, Assessment of Existing Motor Policies“ wurde bereits veröffentlicht. Diese stellt die politischen Instrumente im Bereich der Motoreneffizienz in neun Ländern bzw. Regionen dar [3].

Die „Policy Guidelines for Electric Motor Systems“ zeigen als Leitfaden für politische EntscheidungsträgerInnen sowohl in Industrie- als auch Entwicklungsländern auf, welche Instrumente zur Markttransformation von Motorsystemen angewendet werden sollen und welche Punkte besonders relevant bzw. zu berücksichtigen sind:

  1. Verpflichtende Maßnahmen, insbesondere verpflichtende Mindeststandards, sind notwendig, da in den meisten Fällen die Gesamtlebenszykluskosten von Motorsystemen nicht hinreichend beachtet werden und jene Technologien, die am billigsten sind und damit die niedrigste Effizienz haben, angewendet werden. Mindeststandards, insbesondere begleitet durch Zertifizierungs- und Marktüberwachungsmaßnahmen, können Produkte mit niedriger Effizienz vom Markt verbannen.

  2. Freiwillige Maßnahmen umfassen neben Labelling auch Energiemanagement- und Energieauditprogramme, Bewusstseinsbildung und Benchmarking. Qualifizierte und auf den Anwender zugeschnittene Information ist sowohl für MotorenherstellerInnen als auch Motorenanwender notwendig. Trainings für IngenieurInnen und PlanerInnen zu Werkzeugen und Methoden empfehlen sich für die korrekte Auslegung von Neuanlagen ebenso wie für die Beurteilung von laufenden Systemen.

  3. Finanzielle Anreize helfen, besonders in der Industrie, nicht nur das Bewusstsein für Energieeffizienz zu heben, sondern bestehende Systeme tatsächlich an den Stand der Technik anzupassen. Die Möglichkeiten reichen von einfachen Förderungen, steuerlichen Anreizen, bis zur Unterstützung von Krediten und Energiedienstleistungsunternehmen.

  4. Internationaler Austausch bringt große Vorteile für die Planung und Umsetzung von erfolgreichen politischen Instrumenten. Lernen von den Erfahrungen anderer Länder reduziert die Kosten und die Risiken, die mit einem geplanten politischen Instrument verbunden sind.

Alle diese Instrumente müssen in nationale und internationale politische Rahmenbedingungen ein­gebunden werden.

Normen und Mindeststandards

Den größten Einfluss auf die Effizienz von Motoren hatte die global einheitliche Klassifizierung nach der IEC-Norm 60034-30, die zwischen IE1-, IE2-, IE3- und IE4-Motoren unterscheidet. Derzeit laufen mehrere Projekte, die den Anwendungsbereich der Normen über den Käfigläufer-Induktions-Motor (AC-Motor) hinaus auf mehrere Arten von Elektromotor-Technologien ausweiten wollen.

Der Anwendungsbereich der neuen Ausgabe der IEC Norm 60034-30 wurde im März 2014 adaptiert, um die Leistungsklassen von 0,12 bis auf 1.000 kW, 2-, 4-, 6- und auch 8-polige Induktionsmotoren zu erfassen. Die Effizienzklassen wurden auf IE4-Super-Premium-Effizienz ausgeweitet, mit der Option auf eine zukünftige IE5-Ultra-Premium-Effizienzklasse, die derzeit noch nicht erhältlich ist. Die energetische Leistung eines gesamten Motorsystems, das Frequenzumrichter, den Motor und die angetriebenen Maschinen umfasst (Pumpen, Ventilator, Kompressor, Fließband), wird derzeit in europäischen Normungsgremien bearbeitet [4].

Nationale Regierungen bzw. Wirtschaftsregionen können durch die Einführung von Minimum Energy Performance Standards (MEPS) festlegen, welche Produkte (z.B. Motoren, Pumpen, Ventilatoren) im jeweiligen Markt innerhalb eines Staates oder einer Wirtschaftsregion zum Kauf angeboten werden können. Für Motorenhersteller heißt dies, dass sie nur Produkte verkaufen dürfen, die mit den MEPS des jeweiligen Landes übereinstimmen.

Jene Regionen mit dem höchsten Stromverbrauch für den Betrieb von Elektromotoren (USA, EU-27 und China) haben bereits MEPS für Motoren eingeführt. Es gibt aber auch Länder mit hohem Stromverbrauch für den Betrieb von Motoren, z.B. Russland und Indien, die gemeinsam 8 % des globalen Motorenstromverbrauchs benötigen, und noch keine Mindeststandards festgelegt haben. Basierend auf bereits umgesetzten Gesetzen werden Länder mit MEPS bis 2015 einen Anteil von 70 % am globalen Stromverbrauch haben. Es ist daher wesentlich, noch mehr Länder zur Einführung von MEPS zu bewegen. Global harmonisierte MEPS können nur erzielt werden, wenn klare globale Standards für die Effizienz von Motoren und deren Überprüfung existieren [5].  

Leitfaden zu energieeffizienten Elektromotoren

In einer aktuellen Schweizer Studie wurde festgestellt, dass von über 4.000 untersuchten Motoren in produzierenden Unternehmen zwei Drittel aller Motoren älter als ihre technische Lebensdauer (je nach Leistung zwischen 10 und 20 Jahren) waren, im Durchschnitt um das Doppelte. Darüber hinaus wurde bei 104 Motoren festgestellt, dass sie im Durchschnitt nur mit 52% Auslastung betrieben wurden. Beides sind Faktoren, die bei Elektromotoren zu geringer Effizienz führen [6].

Im „Energieeffizienz-Leitfaden für Elektromotoren“ der Österreichischen Energieagentur sind daher die wichtigsten Bausteine für firmeninterne organisatorische Maßnahmen dargestellt, um elektrische Motorsysteme im Energiemanagementsystem eines Unternehmens adäquat zu behandeln und den Motorpark eines Unternehmens an den Stand der Technik heranzuführen [5].

  • Definition von Beschaffungskriterien

  • Erstellung einer Motoreninventurliste

  • Richtlinien zum Ersatz

  • Vorgaben zur technischen Abnahme

  • Abläufe zur Reparatur

Motortool

Ein Motorsystem besteht aus mehreren Komponenten, die aufeinander abgestimmt werden müssen. Sowohl die Optimierung eines bestehenden, alten Systems, als auch die Beurteilung erhöhter Energieeffizienz bei Neuinstallation erfordern umfangreiche Berechnungen. Um Techniker und Planer bei der Systemoptimierung zu unterstützen, wurde im Rahmen des Projektes unter dänischer Leitung ein „Motor Systems Tool“ entwickelt (Abb.4). Dieses berechnet den Wirkungsgrad von kompletten Motorsystemen und bietet technische Unterstützung bei der Auswahl der optimalen Komponenten.

Abbildung 4: Motor Systems Tool, Freier Download unter http://www.motorsystems.org/motor-systems-tool

Das Tool berechnet dynamisch, wie die Veränderung der Drehzahl, des Betriebspunktes oder eines anderen Elements die gesamte Systemeffizienz beeinflusst.

  • Im Teil „Lastprofil“ kann z.B. ein linearer, quadratischer, konstanter oder reziproker Lastverlauf in Abhängigkeit der Drehzahl eingegeben werden.

  • Im Teil „Kraftübertragung“ erfolgt die Auswahl der Antriebsart, z.B. Direktantrieb, Getriebe oder Keilriemen; diese Elemente können mithilfe einer Datenbank anhand verschiedener Parameter ausgewählt werden, z.B. Umfang und Größe der Antriebsscheibe.

  • Im dritten Teil „Motor und Regelung“ erfolgt die Eingabe der Motordaten oder die Auswahl von Standardmotoren und die Auswahl der Regelung, z.B. Softstarter, Frequenzumrichter, oder Motor ohne Regelung.

Der Anwender legt einen bekannten Punkt fest, z.B. die Drehzahl oder die erforderliche Last. Von diesem Punkt aus können die unterschiedlichen Wirkungsgrade berechnet werden. Der nächste Schritt beinhaltet die Beurteilung der Effizienz bei Veränderung verschiedener Parameter. So kann der Energieverbrauch verschiedener, definierter Systeme berechnet werden. Derzeit ist das Tool nur in englischer Sprach erhältlich, für 2014 ist eine deutsche Version geplant [6].  

Verbreitung der Informationen

Die Österreichische Energieagentur organisiert den Erfahrungsaustausch für Österreich zwischen BeraterInnen, HerstellerInnen und weiteren StakeholderInnen mittels Newsletter und Website. Außerdem organisierte sie am 6. Dezember 2013 im Auftrag des Wirtschaftsministeriums und in Kooperation mit dem Fachverband der Elektro- und Elektronikindustrie die Veranstaltung „Effiziente Elektromotoren – Neue Technologien und aktuelle Politiken“. Im Rahmen dieser Veranstaltung tauschten VertreterInnen des Bundesministeriums für Wissenschaft, Forschung und Wirtschaft, (BMWFW), der Österreichischen Energieagentur, des Fachverbands Elektro- und Elektronikindustrie und einschlägige Herstellerfirmen mit 80 TeilnehmerInnen Erfahrungen zum Thema Steigerung der Energieeffizienz bei Elektromotoren aus. Betrachtet wurden insbesondere die europäischen und nationalen Rahmenbedingungen und die damit einhergehenden technischen Entwicklungen in Österreich [9]. Die wichtigsten Instrumente zur Verbreitung der Informationen auf internationaler Ebene sind einerseits die Website www.motorsystems.org auf der man sich auch zum internationalen Newsletter anmelden kann und der Motor Summit, der dieses Jahr vom 7. bis 9. Oktober 2014 in Zürich http://www.motorsummit.ch/ stattfindet.

Relevante Links:

Nationale Projektwebsites:

http://www.nachhaltigwirtschaften.at/results.html/id5402

http://www.energyagency.at/projekte-forschung/industrie-gewerbe/detail/artikel/internationale-zusammenarbeit-gegen-energiefresser.html

Internationale Projektwebsite:

www.motorsystems.org

Internationale Verbreitung:

http://www.motorsummit.ch

Quellen: 

  1. Datenquelle aus Nutzenergieanalyse 2011, Statistik Austria, 12.12.2012

  2. Datenquelle aus Nutzenergieanalyse 2011, Statistik Austria, 12.12.2012

  3. Kulterer K., Werle R.: Motor Policy Guide Part 1, Assessment of Exixting Policies, IEA4E Electric Motor Systems Annex, Zürich 2011, Download unter http://www.motorsystems.org/policy-publications oder

    oder http://www.motorsystems.org/files/otherfiles/0000/0099/motor_policy_guide_aug2011.pdf

  4. Brunner C., Waide P., Jakob M: Harmonized Standards for Motors and Systems-Global Progress report and outlook, Proceedings of the 7th International Conference on Energy Efficiency in Motor Driven Systems, Alexandria VA, 2011

  5. Werle, R. et al.: Global effort for efficient motor systems: EMSA, Proceedings of the 7th International Conference on Energy Efficiency in Motor Driven Systems, Alexandria VA, 2011

  6. Brunner, C. Werle, R. 2013: , Effizienzprogramme in der Schweiz, Präsentation im Rahmen der Veranstaltung: Effiziente Elektromotoren, Neue Technologien und aktualle Politiken
  7. Kulterer, K.: Energieeffizienzleitfaden für Elektromotoren, Österreichische Energieagentur, Wien, 2012 Download unter http://www.energyagency.at/fileadmin/dam/pdf/projekte/industrie/IEA-4E-Motorleitfaden.pdf
  8. Motor Systems Tool, Download unter http://www.motorsystems.org/motor-systems-tool
  9. Veranstaltung der Austrian Energy Agency „Effiziente Elektromotoren – Neue Technologien und aktuelle Politiken“ 6.12.2013, Wien, Download aller Vorträge unter http://www.energyagency.at/aktuelles-presse/veranstaltungen/detail/veranstaltung/effiziente-elektromotoren-neue-technologien-und-aktuelle-politiken.html?no_cache=1) 

Autorenbeschreibung

Mag. DI Konstantin Kulterer ist wissenschaftlicher Mitarbeiter der Österreichischen Energieagentur und Projektleiter des Annex Electric Motor Systems der Internationalen Energieagentur

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