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Antriebssystem Ende des Einsparpotenzials bei Elektroantrieben noch nicht erreicht

Autor: Stefanie Michel

Es gibt viele effiziente Elektromotoren, aber das genügt nicht. Die von der EU festgelegten Emissionsziele lassen sich damit nicht erreichen. Vielmehr müssen ganze Antriebssysteme hinsichtlich ihrer Energieeffizienz betrachtet werden. Und hier steckt das Einsparpotenzial: in der Drehzahlregelung und der Motorentechnik.

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(Bild: ABB)

Erstmals veröffentlicht am 10.11.2015

Angesichts der vielen Jahre, die das Thema die Industrie und die Antriebstechnikhersteller beherrscht, könnte man denken, Energieeffizienz sei ein alter Hut. Schließlich ist die Wirkungsgradnorm für Elektromotoren seit einigen Jahren in Kraft und ambitionierte Motorenhersteller bieten bereits Motoren in der Wirkungsgradklasse IE4 oder gar IE5 an – ungeachtet der Tatsache, dass es letztere gar nicht gibt. Das ist doch sehr fortschrittlich, oder nicht? Wer sich allerdings die vom ZVEI veröffentlichten Zahlen ansieht, wird zweifeln: Die Industrie in Europa verbraucht jährlich insgesamt etwa 1036 TWh Strom, davon 650 TWh für Elektromotoren und elektrische Antriebssysteme. In den Antriebssystemen steckt ein Einsparpotenzial von 89 TWh, aber nur 17 TWh lassen sich über effiziente Motoren realisieren. Der größte Teil dagegen erschließt sich mit drehzahlgeregelten Antrieben.

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Nicht alleine den Elektromotor für Energieeinsparung betrachten

Der Motor alleine macht also noch keinen energieeffizienten Antrieb. Zudem ist es damit auch nicht möglich, die Einsparziele, die sich die EU mit der ErP-Richtlinie gesetzt hat, zu erreichen: bis 2030 40 % weniger CO2-Emissionen als 1990. Deshalb war es an der Zeit, dass sich die gesetzlichen Anforderungen nicht nur auf die Wirkungsgrade von Asynchronmotoren stützen; solche Motoren zwischen 7,5 und 375 kW müssen seit dem 1. Januar 2015 bereits die Anforderungen der Effizienzklasse IE3 erfüllen, wenn sie nicht mit Umrichter betrieben werden. Als weitere Maßnahme trat Ende 2014 die Norm EN 50598 in Kraft, die nicht mehr nur die Motoren betrachtet, sondern das gesamte Antriebssystem.

Das ist prinzipiell ganz im Sinne der Hersteller von Motoren und Frequenzumrichtern. Man ist sich einig, dass mit drehzahlgeregelten Antrieben eine schnelle und recht hohe Einsparung erreicht werden kann – wenn sie im Teillastbereich betrieben werden. Gerade bei Pumpen und Lüftern ist das sinnvoll. Doch nicht überall ist die Drehzahlregelung mit Frequenzumrichter die beste Lösung. Arbeiten die Motoren ständig unter Volllast, ist ein geregeltes Hochfahren mit Sanftstarter besser und sparsamer. Dennoch steckt zunächst ein riesiges Potenzial in der Drehzahlregelung. Michael Burghardt, Produktmanager bei Danfoss: „Man muss bedenken, dass nur etwa 25 % aller Antriebe bisher mit Frequenzumrichter ausgestattet sind und die Verbände davon ausgehen, dass in 50 bis 60 % aller Motoren eine Drehzahlregelung sinnvoll ist.“

Asynchronmotoren stoßen an ihre betriebswirtschaftlichen Grenzen

Nichtsdestotrotz sind effiziente Komponenten nötig, um ein möglichst großes Einsparpotenzial zu erreichen. Jeder Hersteller ist also weiterhin bestrebt, Produkte mit immer höheren Wirkungsgraden anzubieten, auch wenn das zunehmend schwieriger beziehungsweise aufwendiger wird. Gerade bei Asynchronmotoren sind sich die Motorenhersteller einig: Mit der Effizienzklasse IE4, die beispielsweise ABB, Siemens und WEG bereits im Programm haben, stößt man an die betriebswirtschaftlichen Grenzen. Ralf Peschel, Produktmanager Niederspannungsmotoren bei ABB Automation Products: „Natürlich kann man einen Motor mit einem längeren Blechpaket und noch mehr Kupfer ausstatten, was ihn effizienter macht. Ob das allerdings sinnvoll ist, steht auf einem anderen Blatt.“ Burghardt gibt zudem zu bedenken, dass zum einen Motoren mit höherem Wirkungsgrad zum Teil auch größer bauen und damit der Austausch oder die Modernisierung von Altanlagen problematisch werden kann. Zum anderen würden weitere Effizienzsteigerungen teuer erkauft, sodass sich die Einsparungen erst über einen langen Zeitraum amortisieren.

Aus diesen Gründen setzen die Motorenhersteller vielfach auf andere Motorentechnologien, wenn eine hohe Energieeffizienz erreicht werden soll. Eine Alternative für drehzahlgeregelte Antriebe sind Permanentmagnet-(PM-)Motoren. Sie erreichen vergleichbare oder auch höhere Wirkungsgrade als Asynchronmotoren, benötigen aber für die Herstellung der Permanentmagnete die kostenintensiven, endlichen Seltenen Erden. Deshalb sind auch aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten Synchronreluktanzmotoren eine adäquate Option zu PM-Motoren, denn sie verfügen weder über einen leitfähigen Kurzschlusskäfig wie Asynchronmotoren noch über Permanentmagnete. Stattdessen nutzen sie das Prinzip der magnetischen Reluktanz. Allerdings ist eine elektronische Regelung erforderlich, was aber zusammen mit der optimierten Rotorstruktur eine außergewöhnlich hohe Effizienz ermöglicht.

Eine Ausnahme ist der auf der Hannover-Messe 2015 vorgestellte Synchronreluktanzmotor mit Netzanschluss von ABB. Er läuft während des Anlaufs wie ein Asynchronmotor, synchronisiert sich bei voller Drehzahl und läuft dann mit Festdrehzahl als Synchronreluktanzmotor. Auch Siemens prüft zur Zeit solche Hybridverfahren mit asynchronem Anlaufverhalten, um hohe Wirkungsgrade zu erzielen.

Frequenzumrichter einzusetzen, heißt, ​das Gaspedal zu benutzen

Weit mehr Einsparpotenzial ist allerdings mit dem Einsatz von Frequenzumrichtern möglich. Peschel beschreibt das sehr anschaulich: „Einen Frequenzumrichter einzusetzen, heißt, das Gaspedal zu benutzen, anstatt mit Vollgas auf der Bremse zu stehen. Frequenzumrichter sparen Energie und Kosten, indem beispielsweise bei Pumpen und Lüftern über die Motordrehzahl genau die Fördermenge des Mediums geregelt wird – im Gegensatz zum ständigen Betrieb bei voller Drehzahl mit mechanischer Drosselung.“ Wie Klaus Sirrenberg, Director Low Voltage Products bei WEG in Deutschland, angibt, kann so der Energieverbrauch deutlich im zweistelligen Prozentbereich gesenkt werden.

Doch nicht nur die Nutzung der Umrichter, sondern auch sie selbst bieten noch Möglichkeiten, Energie einzusparen, auch wenn viele Geräte bereits einen Wirkungsgrad von über 95 % aufweisen. So gibt es effizientere Halbleitermaterialien, zum Beispiel Siliziumkarbid (SiC), oder verlustärmere Umrichtertopologien wie Matrixumrichter. Allerdings ist zu berücksichtigen, dass diese neuen Materialien und Topologien höhere Bauteilkosten haben und damit auch den Anschaffungspreis für den Kunden erhöhen. Deshalb sieht Danfoss deutlich mehr Vorteile bei den Kontrollalgorithmen für die Motorsteuerung. Burghardt: „Interessanter ist es, welche Motoren ein Umrichter ansteuern kann und ob er für die verschiedenen Motortechnologien auch die jeweils optimierten Algorithmen bietet. Daraus kann sich dann ergeben, dass der gleiche Motor an verschiedenen Umrichtern auch eine unterschiedliche Effizienz erreicht.“ Danfoss hat das ermöglicht: Mit einer einzigen Umrichterserie lassen sich alle gängigen Motortechnologien (Asynchron-, PM- und Synchronreluktanzmotoren) mit optimierten Algorithmen ansteuern.

Bei bestimmten Anwendungen (Krane, Zentrifugen, Aufzüge) kann es auch sinnvoll sein, rückspeisefähige Frequenzumrichter einzusetzen. Sie können ein höheres Einsparpotenzial gegenüber anderen Bremsmethoden, wie beispielsweise über Bremswiderstände, bieten, da die Bremsenergie zurück ins Netz gespeist und nicht in Wärme umgewandelt wird. Im generatorischen Betrieb kann die Energie aber auch in Energiespeichern (Batterien, Supercaps, Schwungmassen) gepuffert werden.

Mehr Energiesparmöglichkeiten vorhanden, als genutzt werden

Es gibt also bereits viel mehr Energiesparmöglichkeiten, als in den meisten Fällen genutzt werden. Darin sieht ABB immer noch ein grundlegendes Problem, wie Peschel erklärt: „Das zurzeit größte Hindernis besteht darin, die effizienten Technologien ins Bewusstsein der Entscheider zu rücken. Viele schauen nur auf den reinen Anschaffungspreis der Antriebslösung, haben aber nicht die Gesamtkosten über die Lebenszeit des Motors im Blick. Hier muss der Druck vom Endkunden ausgehen.“ Ähnlich sieht das bei der Erfüllung der EU-Normen aus: Ist mindestens ein IE3-Motor gefordert, dann wird auch nur ein IE3-Motor gekauft – anstatt das System als Ganzes zu betrachten und einen IE4-Synchronreluktanzmotor mit Umrichter in Betracht zu ziehen. Das fordert auch Sirrenberg: „Ob also ein IE2-Motor plus Frequenzumrichter, ein IE3- oder IE4-Asynchronmotor oder ein IE5-PM-Motor die optimale Lösung für eine Anwendung ist, kann erst eine genaue Analyse der Anwendung entscheiden.“

Dennoch können die Antriebstechnikhersteller in dieser Hinsicht zuversichtlich in die Zukunft blicken, denn zum einen gibt es zunehmend OEM und Maschinenbauer, die Energieeffizienz auch als Marketingstrategie einsetzen und herausholen, was möglich ist. Zum anderen rückt der Einsatz effizienter Antriebe angesichts der gesetzlichen Regelungen immer stärker auch in den Fokus der Endanwender.

Gerade die neue Norm EN 50598 unterstreicht den Trend auch bei den Herstellern hin zu mehr Systemeffizienz. Das beginnt bei der Optimierung der Einzelkomponenten und führt bis zur energieeffizienten Gestaltung eines kompletten Antriebstrangs. Um hier den Maschinenbauer zu unterstützen, stehen bei bestimmten Herstellern optimierte Antriebspakete bereit, beispielsweise die IDS-Systemangebote bei Siemens oder das IE4-Antriebspaket mit Synchronreluktanzmotor und Frequenzumrichter von ABB.

Motorentechnologie und Umrichter bieten noch viel Potenzial

Am Ende sind die Antriebstechnikhersteller bei der Entwicklung effizienter Komponenten und Systeme noch längst nicht. Auch wenn sie sicherlich weiterentwickelt werden, wird bei den Asynchronmotoren der Aufwand in Zukunft zu hoch, um sie über IE4 hinaus zu optimieren. Doch andere Motorentechnologien und auch die Frequenzumrichter bieten noch viel Potenzial. So setzt WEG auf IE5-PM-Motoren, während ABB einen klaren Schwerpunkt auf die Weiterentwicklung der Synchronreluktanzmotoren legt.

Ein Beispiel ist das neue Motorenkonzept SynRM², mit dem ABB, ausgehend von IE4, die Verluste um weitere 20 % reduzieren konnte. Siemens wird ebenfalls die Synchronreluktanztechnik weiter entwickeln; zudem wird man die wassergekühlten Umrichter optimieren und das Portfolio erweitern. Für Danfoss als motorunabhängigem Hersteller von Frequenzumrichtern steht im Mittelpunkt, alle gängigen Motortechnologien ansteuern zu können – mit der maximal möglichen Effizienz.

Die Forschung und Entwicklung nach noch effizienteren Systemen ist also nicht abgeschlossen, das Thema Energieeffizienz noch lange nicht erledigt. Allerdings müssen mehr und mehr die Betrachtung des kompletten Lebenszyklus des Antriebsstrangs im Mittelpunkt stehen und beim Endanwender ein Bewusstsein für die Lifecycle-Costs geschaffen werden.

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Über den Autor

 Stefanie Michel

Stefanie Michel

Journalist, MM MaschinenMarkt